DE3928354A1 - Projektionsobjektiv - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 entsprechendes Projektionsobjektiv mit vier koaxialen Linsen. Die Erfindung bezieht sich auch auf die Verwendung des Objektivs in besonderer Anordnung in einer bestimmten Projektorart.

Das erfindungsgemäße Projektionsobjektiv ist insbesondere, aber nicht ausschließlich in Overheadprojektoren von Nutzen.

Overheadprojektoren werden schon seit langem eingesetzt, obwohl den bekannten Gerätschaften Nachteile anhaften.

Diese Nachteile beinhalten die Schwierigkeit, Projektorkonstruktionen zu erhalten, die bei horizontaler Objektebene eine im wesentlichen unverzerrte Wiedergabe des Bildes auf einer vertikalen Projektions­ fläche oberhalb einer horizontalen Ebene erlauben, in der das Projektionsobjektiv angeordnet ist. Teilweise hat dadurch wenig Anreiz zum Einsatz eines Objektivs mit guter optischer Leistung bestanden, welches außerdem mit verhältnismäßig niedrigen Kosten hergestellt werden kann.

Ein den ersten Nachteil nicht aufweisender Overheadprojektor ist in der EP-A-02 77 469 offenbart. Ein derartiger Overheadprojektor stellt jedoch hohe Anforderungen an den Feldwinkel des Projektions­ objektivs und das Problem besteht daher darin, mit niedrigen Kosten ein Projektionsobjektiv herzustellen, welches einen Feldwinkel im Bereich von 45° bietet und sich beispielsweise mit Astigmatismus- sowie Feldkrümmungsproblemen befassen kann.

Es sollte in Erinnerung gerufen werden, daß übliche Projektions­ objektive mit annehmbaren Werten für Astigmatismus und Feld­ krümmung einen Feldwinkel von zumeist 20° bieten. Das mag aus­ reichend sein, wenn das Objektiv zentral über der Objektoberfläche in einem Overheadprojektor angeordnet ist.

Übliche Objektive bestehen zumeist aus drei Linsen, von den jede zwei gekrümmte Oberflächen aufweist. Die Kosten eines solchen Ob­ jektivs sind in erheblichem Maße durch die Zahl der gekrümmten Linsenoberflächen bestimmt. Der Fachmann weiß auch, daß Objek­ tive, die spezielle Probleme wie die hier genannten lösen, dadurch konstruiert werden können, daß man die Zahl der Linsenelemente und damit die Zahl der gekrümmten Oberflächen erhöht. Eine solche Lösung steht jedoch im Widerspruch zu dem Bestreben, die Her­ stellungskosten zu vermindern.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Projektionsobjektiv zu schaffen, welches bezüglich Astigmatismus sowie Feldkrümmung annehmbare Werte aufweist und einen an 40 bis 45° heranreichen­ den Feldwinkel ermöglicht, wenn es in besonderer Weise in einer bestimmten Overheadprojektorart angeordnet wird, wie es nachfol­ gend beschrieben wird. Es sollte jedoch klar sein, daß das bean­ spruchte Objektiv eine gute Leistung bei allgemeinem Einsatz in Projektionssystemen bietet, daß seine Leistung aber besonders herausragend ist bei gewissen besonderen Projektorsystemen und bei besonderer Anordnung, was nachfolgend noch ausführlicher be­ schrieben wird.

Das erfindungsgemäße Projektionsobjektiv enthält vier koaxiale Linsen, von denen in Richtung von der Objektseite zur Bildseite gesehen die erste Linse eine zur Objektseite weisende konvexe Ober­ fläche aufweist, die zweite Linse und die dritte Linse dicht bei­ einander sowie entfernt von der ersten Linse und der vierten Linse angeordnet sind und die vierte Linse eine zur Bildseite weisende konvexe Oberfläche aufweist, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die zur Bildseite weisende Oberfläche der ersten Linse eben ist, die zur Bildseite weisenden Oberflächen der zweiten sowie dritten Linse eben und die zur Objektseite weisenden Oberflächen der zwei­ ten sowie dritten Linse konkav sind und die zur Objektseite weisen­ de Oberfläche der vierten Linse eben oder vorzugsweise ein wenig konvex ist.

Ein Projektionsobjektiv sollte in geeigneter Weise so aufgebaut sein, daß für unterschiedliche Projektionsabstände eine Einstellung er­ möglicht wird, und aus diesem Grunde ist das erfindungsgemäße Projektionsobjektiv dadurch gekennzeichnet, daß die erste, zweite und dritte Linse fest zueinander angeordnet sind und somit eine Linsengruppe bilden und daß diese Linsengruppe für eine Verände­ rung der Brennweite des Objektivs relativ zur vierten Linse axial bewegbar ist.

Das erfindungsgemäße Objektiv ist zweckmäßigerweise bezüglich der optischen Achse eines Projektors, insbesondere eines Overheadpro­ jektors, exzentrisch angeordnet, und zwar im Bereich oberhalb des Randes eines Objektfensters und im Brennpunkt eines das Objekt­ fenster beleuchtenden elliptischen Spiegels, in dessen anderem Brennpunkt eine Lichtquelle angeordnet ist, so daß das Objektiv exzentrisch zum benachbarten Spiegelbrennpunkt in Richtung der Zentralachse des Objektfensters liegt. Eine solche exzentrische Stellung des Objektivs bewirkt einen an etwa 45° heranreichenden Feldwinkel.

Es wurde jedoch festgestellt, daß das Objektiv selbst auch in her­ kömmlicheren Projektoren, z. B. in Projektoren, bei denen das Objektiv bezogen auf die Objektplatte zentrisch angeordnet ist, hervorragende Ergebnisse liefert. Bei üblicheren Anwendungen be­ steht jedoch gewöhnlich kein Bedarf für extreme Feldwinkel.

lm Ergebnis stellt die Erfindung ein Objektiv zur Verfügung, das zugestandenermaßen vier Linsenelemente, nichtsdestoweniger weniger gekrümmte Oberflächen und einen beachtlich größeren Feldwinkel als ein herkömmliches dreilinsiges Overheadprojektorobjektiv mit einem Feldwinkel von etwa 20° aufweist.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht mithin darin, daß es mit großen Feldwinkeln eingesetzt werden kann, dabei aber noch vergleichweise hohe Ansprüche an die Bildqualität erfüllt, wie es nachfolgend erläutert wird. Ferner wird dieses Ergebnis mit be­ merkenswert niedrigen Kosten ermöglicht, selbst wenn man berück­ sichtigt, daß das Objektiv vier Linsenelemente aufweist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeich­ nung beispielhalber erläutert. Es zeigen

Fig. 1 schematisch einen Axialschnitt durch ein erfindungsge­ mäßes Objektiv, wobei die linke und rechte Hälfte der Fig. 1 das Objektiv in zwei schematisch angedeuteten Fokusendstellungen darstellen,

Fig. 2 schematisch eine Seitenansicht des beanspruchten Objektivs im Einsatz bei einer für sich bekannten Overheadpro­ jektorart,

Fig. 3 schematisch den Strahlengang durch das erfindungsge­ mäße Objektiv bei Einsatz im Projektor gemäß Fig. 2,

Fig. 4 schematisch mehrere Punkte mit angegebenen Koordi­ naten, wobei die Bildpunkte auf eine Bildbreite von 200 mm normalisiert sind, und

Fig. 5-10 die Modulation in den in Fig. 4 markierten Bild­ punkten für das beanspruchte Objektiv bei Einsatz gemäß Fig. 2 und 3.

Aus der linken Hälfte der Fig. 1 ist ersichtlich, daß das Objektiv vier Linsenelemente 1-4 enthält, von denen die Linse 1 der Ob­ jektoberfläche zugewandt und möglichst nahe an der Projektorbild­ fläche angeordnet sein soll. Man erkennt, daß die zur Objektseite weisende Oberfläche 10 der Linse 1 eine positive Krümmung auf­ weist und die andere Oberfläche 11 der Linse 1 eben ist. Erkenn­ bar ist auch, daß die Linse 2 eine zur Objektseite weisende kon­ kave Oberfläche 20 aufweist und die gegenüberliegende Oberfläche 21 der Linse 2 eben ist. Weiterhin hat die Linse 3 eine zur Ob­ jektseite weisende konkave Oberfläche 30, während die gegenüber­ liegende Oberfläche 31 der Linse 3 eben ist.

Die Linsen 1, 2 und 3 sind mit Hilfe einer Linsenfassung 81 relativ zueinander fest angeordnet.

Die Linse 4 wird von einer Linsenfassung 82 gehalten und weist eine zur Objektseite weisende Oberfläche 40 auf, die eben sein kann, vorzugsweise aber eine leicht negative Krümmung aufweist. Die Linsenfassung 82 ist bezüglich der Linsenfassung 81 axial ver­ stellbar angeordnet, wobei aber die Linsen 1-4 koaxial bleiben. Daraus ist ersichtlich, daß der Abstand zwischen den Oberflächen 40 und 31 geändert werden kann, um die Brennweite des Objektivs verändern zu können.

Ein Beispiel des Objektivs (zusammen mit einem Umlenkprisma) ist in den weiter unten folgenden Tabellen 1 bis 4 angegeben.

Die in Tabelle 1 angegebenen Glassorten sind im Handel von der Schott AG, Westdeutschland erhältlich.

Das erfindungsgemäße Objektiv kann mit Vorteil in einem Projektor derjenigen Art verwendet werden, wie er in Fig. 2 skizziert ist. Ein solcher Projektor ist aus der EP-A-02 77 469 für sich bekannt. Ein Projektor dieses Typs weist im wesentlichen einen horizontalen Tisch mit einem Objektfenster 14 für großformatige Transparente auf. Das Objektiv 8 ist im wesentlichen unmittelbar über dem rech­ ten Rand des Objektfensters 14 angeordnet. Unter dem Fenster 14 befindet sich ein Ellipsoidspiegel 6 (oder eine Mehrzahl von kom­ binierten Ellipsoidspiegeln) mit einem Brennpunkt 61 beim Objektiv 8 und mit seinem anderen Brennpunkt in einer Lichtquelle 60, die in geeigneter Weise unter der Tischoberfläche angeordnet ist, so daß sie das Objektiv nicht direkt beleuchtet. Die Hauptfläche des Lichtquellenfilamentes 60 ist zum Ellipsoidspiegel 6 hin gerichtet und bildet mit der Tisch- bzw. Horizontalebene einen Winkel von etwa 70-90°. Wie in Fig. 2 dargestellt ist, ist das Objektiv 8 in geeigneter Weise exzentrisch in der veranschaulichten Ebene so angeordnet, daß die Achse 71 des Objektivs 8 ein wenig links der Linie 70 liegt, die senkrecht zur Oberfläche 14 verläuft, deren rechten Rand berührt und den Brennpunkt 61 beinhaltet. Bei dem Beispiel gemäß Tabelle 1, beträgt der Abstand zwischen den Achsen 70 und 71 etwa 14 mm, aber offensichtlich kann dieser exzentrische Abstand ganz genau im Bereich von 10 bis 16 mm für dieses Bei­ spiel liegen.

Früher hat man es bei einem Projektortyp gemäß Fig. 2 für un­ möglich angesehen, die Achse 71 des Objektivs 8 rechts von der Senkrechten 70 zur Oberfläche 14 durch den rechten Rand der Bild­ fläche gehend anzuordnen. Es wurde nunmehr herausgefunden, daß diese frühere Grenze vielleicht mehr von der Objektivkonstruktion als vom übrigen Vorrichtungsaufbau abhängig war und es deshalb zumindest theoretisch möglich sein müsste, ein Objektiv nahe an der senkrechten Linie 70 anzuordnen, wenn ein Objektiv mit viel­ leicht fünf Linsen benutzt wird, in welchem Fall der Brennpunkt möglicherweise unmittelbar rechts von der Linie 70 angeordnet wer­ den kann.

Es sollte daran erinnert werden, daß eine solche Projektorart dazu bestimmt ist, die Projektion eines auf dem horizontalen Bildfenster 14 liegenden Objekts auf einer vertikalen Projektionsfläche 15 zu liefern, und zwar ohne Verzeichnung des Bildformats, was bedeutet, daß der untere Rand des das Umlenkprisma 5 verlassenden Lichts horizontal sein sollte.

Fig. 2 zeigt auch Strahlen abc, a′b′c′ und a′′b′′c′′ im rückwärtigen Bereich, im Zentrum und im vorderen Bereich des Objektfensters 14 und der Weg dieser Strahlen ist in Fig. 3 dargestellt, die das erfindungsgemäße Objektiv zusammen mit einem Umlenkprisma zeigt.

Aus den Strahlen abc, a′b′c′ und a′′b′′c′′ ist ersichtlich, daß eine exzentrische Anordnung des Objektivs einen großen Feldwinkel bie­ tet. Es ist auch ersichtlich, daß ein vergleichsweise kleines Prisma 5 oder dergleichen genügt, um das durch das Objektiv projizierte Licht umzulenken.

Das Prisma 5 ist in Fig. 3 im selben Maßstab wie das Objektiv 8 dargestellt.

Aus der Tabelle 1 sieht man, daß die Oberfläche 50 des Prismas 5 mm über dem Zentrum der Linsenoberfläche 41 angeordnet ist. Man erkennt auch, daß die linke Ecke des Prismas in Fig. 3 in einem Abstand T von z. B. 3,5 mm rechts von der Objektivachse 71 angeordnet werden kann, ohne daß wesentliche Lichtverluste auf­ treten. Zweckmäßigerweise lagert man das Prisma 5 an dessen in Fig. 3 linker Eckkante um eine horizontale Achse Z verschwenkbar, um z. B. Abweichungen der Projektionsfläche 15 von der Vertikal­ ebene ausgleichen zu können.

Fig. 3 zeigt auch den exzentrischen Abstand X zwischen der Ebene 70 und der Objektivachse 71. Wie erwähnt kann X im Bereich von 10-16 mm liegen, im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt X bei etwa 14 mm.

Im Ausführungsbeispiel nach Tabelle 1 kann die Kantenlänge des Prismas 5 längs der Seiten 50 und 51 43 mm betragen, der Ab­ stand T liegt dann bei ungefähr 3,5 mm.

Das erfindungsgemäße Objektiv in der Ausführungsform nach den Tabellen 1-4 in einem Projektor nach den Fig. 2 und 3 ist be­ züglich der Modulation an mehreren angegebenen Punkten auf dem Bild untersucht worden. Diese Punkte sind auf eine Bildbreite von 200 mm normalisiert und die ausgewählten Punkte sind sowohl mit den Koordinaten, als auch mit ihren Stellungen in einer schema­ tischen, horizontalen Sicht - von oben auf den Projektor gemäß Fig. 2 gesehen - wiedergegeben.

Die Fig. 5-10 zeigen daher die Modulation an diesen Punkten.

Die Größe des projizierten Bildes beträgt 1400 × 1400 mm, norma­ lisiert auf die Größe des Bildfensters 285 × 285 mm. Die Licht­ quelle im Projektor ist eine polychromatische Lichtquelle mit einer Größe von 7 × 7 mm und der Filamentneigungswinkel α beträgt 70°.

Jede der Fig. 5-10 zeigt grundsätzlich vier Kurven, und zwar die MTF (Modulation Transfer Function) bei einem Orientierungs­ winkel von 0 bzw. 90° und den Realteil der OTF (Optical Transfer Function) bei einem Orientierungswinkel von 0 bzw. 90°. Die OTF ist umfassender als die MTF und enthält auch eine Phasenverschie­ bung; MTF ist das Argument der OTF.

Die Kurven sind folgendermaßen gekennzeichnet:

 MTF 0°
○ MTF 90°
∆ Realteil der OTF 0°
+ Realteil der OTF 90°

In einigen Figuren sind bestimmte Kurven weggelassen, ein Fach­ mann weiß aber, daß die weggelassenen Kurven aus Symmetriegründen mit dargestellten im wesentlichen übereinstimmen.

Die vorgeschlagene exzentrische Anordnung des Objektivs bezüglich des Brennpunktes bietet einen vergleichsweise großen Feldwinkel mit annehmbaren Aberrationswerten. Jedoch müssen die Linsenober­ flächen eine leichte Krümmung aufweisen, die Zahl der gekrümmten Linsenoberflächen ist aber entsprechend niedrig wie bei dem hier erläuterten Objektiv.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Spektralgewichte

Tabelle 4

Brechungsindexdaten

Claims (4)

1. Projektionsobjektiv mit vier koaxialen, sphärisch gekrümmten Oberflächen aufweisenden Linsen (1-4), von denen in Richtung von der Objektseite (14) zur Bildseite (15) gesehen die erste Linse (1) eine zur Objektseite weisende konvexe Oberfläche (10) aufweist, die zweite Linse (2) und die dritte Linse (3) dicht beieinander sowie entfernt von der ersten Linse (1) und der vierten Linse (4) angeordnet sind und die vierte Linse (4) eine zur Bildseite wei­ sende konvexe Oberfläche (41) aufweist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die zur Bildseite weisende Ober­ fläche (11) der ersten Linse (1) eben ist, die zur Bildseite wei­ senden Oberflächen (21, 31) der zweiten (2) sowie dritten Linse (3) eben und die zur Objektseite weisenden Oberflächen (20, 30) der zweiten (2) sowie dritten Linse (3) konkav sind und die zur Objektseite weisende Oberfläche (40) der vierten Linse (4) eben oder vorzugsweise ein wenig konvex ist.

2. Projektionsobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (1), zweite (2) und dritte Linse (3) mit Hilfe einer Linsenfassung (81) fest zueinander angeordnet sind, welche zur Veränderung der Brennweite des Objektivs relativ zur vierten Linse (4) axial bewegbar ist.

3. Projektionsobjektiv nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Objektiv (8) bezogen auf die optische Achse (70) eines Projektors, vorzugsweise eines Overheadprojektors, nicht zen­ tral, sondern im Bereich oberhalb des Randes eines in Projektions­ richtung gelegenen Objektfensters und im Brennpunkt (61) eines das Objektfenster beleuchtenden elliptischen Spiegels (6) angeord­ net ist, in dessen anderem Brennpunkt eine Lichtquelle (60) vor­ gesehen ist, und dadurch das Objektiv in Richtung der Zentral­ achse des Objektfensters aus dem Zentrum des benachbarten Spiegel­ brennpunktes (61) gerückt ist.

4. Projektionsobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekenn­ zeichnet durch folgende Merkmale: