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Title:
PROJECTION OF DIGITAL IMAGE DATA WITH A HIGH LIGHT YIELD
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/126805
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a projection lens, which projects digital image data from two imaging units (102, 104) onto a projection screen (113). The light of the two imaging units (102, 104) is mutually perpendicularly polarised. The projection lens (106) has two identical first partial lenses (108, 110) which face the imaging units (102, 104), a second partial lens (112) which faces the screen (113), and a polarising beam combiner (200). The polarising beam combiner (200) is arranged between the first partial lens (108, 110) and the second partial lens (112). Each of the two first partial lenses (108, 110) forms a digital projection lens (106) together with the polarising beam combiner (200) and the second partial lens (112). In the process, the polarising beam combiner (200) combines the light (216, 218) of the two imaging units (102, 104) to form a common beam path (219), as a result of which an extremely high light yield is achieved.

Inventors:
SCHULZ-GROSSER, Michael (Dr.-Karl-Hessel-Str. 8, Bad Kreuznach, 55543, DE)
SCHAUSS, Udo (Zum Heimberg 7, Waldböckelheim, 55596, DE)
Application Number:
EP2012/054583
Publication Date:
September 27, 2012
Filing Date:
March 15, 2012
Export Citation:
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Assignee:
JOS. SCHNEIDER OPTISCHE WERKE GMBH (Ringstraße 132, Bad Kreuznach, 55543, DE)
SCHULZ-GROSSER, Michael (Dr.-Karl-Hessel-Str. 8, Bad Kreuznach, 55543, DE)
SCHAUSS, Udo (Zum Heimberg 7, Waldböckelheim, 55596, DE)
International Classes:
G02B13/16; G02B13/18; G02B27/28; G02B30/25; G03B35/18; G03B35/26; H04N9/31
Domestic Patent References:
WO2007139340A12007-12-06
Foreign References:
US20090257120A12009-10-15
US6547396B12003-04-15
US2403731A1946-07-09
DE10315688A12004-11-04
Attorney, Agent or Firm:
KÖLLNER, Malte (Vogelweidstrasse 8, Frankfurt am Main, 60596, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Pro ektionsob ektiv (106) zur Projektion digitaler Bilddaten von zwei bildgebenden Einheiten 102, 104 auf eine Projektionswand (113),

wobei das Licht der beiden bildgebenden Einheiten (102, 104) senkrecht zueinander polarisiert ist,

wobei das Projektionsobjektiv (106) folgende Elemente aufweist :

a) zwei, den bildgebenden Einheiten (102, 104) zugewandte, identische erste Teilobjektive (108, 110);

b) ein der Leinwand (113) zugewandtes zweites Teilobjektiv (112) ;

c) einen polarisierenden Strahlenvereiniger (200);

d) wobei der polarisierende Strahlenvereiniger (200) zwischen den ersten Teilobjektiven (108, 110) und dem zweiten

Teilobjektiv (112) angeordnet ist;

e) wobei jedes der beiden ersten Teilobjektive (108, 110) zusammen mit dem polarisierenden Strahlenvereiniger (200) und dem zweiten Teilobjektiv (112) ein digitales Projektionsobjektiv (106) bildet; und

f) wobei der polarisierende Strahlenvereiniger (200) das Licht (216, 218) der beiden bildgebenden Einheiten (102, 104) zu einem gemeinsamen Strahlengang (219) vereinigt.

2. Projektionsobjektiv (106) nach dem vorhergehenden Anspruch,

dadurch gekennzeichnet,

dass der polarisierende Strahlenvereiniger (200)

a) zwei 90°-Prismen (202, 204) mit einer Brechzahl nP und b) ein zwischen den Hypotenusenflachen (206, 208) der Prismen (202, 204) angeordnetes Interferenzschichtsystem (210) aufweist,

c) wobei im Interferenzschichtsystem (210) eine Schicht aus einem Material H mit einer Brechzahl nH > nP und eine Schicht aus einem Material L mit einer Brechzahl nL < nP alternierend aufeinander folgen, und

d) zur Verbindung der beiden Prismen (202, 204) und des Interferenzschichtsystems (210) miteinander mindestens eine Schicht (214) aus einem optischen Kitt mit einer Brechzahl nL < nKitt < nP < nH vorgesehen ist;

e) wobei das Interferenzschichtsystem (210) ausgelegt ist mit der Schichtfolge, wie in der nachstehenden Tabelle ausgeführt, wobei die jeweilige Schichtdicke in Mikrometer angegeben ist :

Schicht Kennbuchstabe Schichtdicke

des [μπι]

Materials

1 H 0, 126190

2 L 0, 078320

3 H 0, 139240

4 L 0, 100280

5 H 0, 120280

6 L 0, 117210

7 H 0, 121100

8 L 0, 134560

9 H 0, 039780

10 L 0, 183640

11 H 0, 042200

12 L 0, 234140

13 H 0, 027570

14 L 0, 174280

15 H 0, 038340

16 L 0, 114910

17 H 0, 062870

18 L 0, 049640

19 H 0, 078490

20 L 0, 017000

21 H 0, 056480 f) wobei als Material L ein Material mit einer Brechzahl 1,46 < nL < 1,475, insbesondere Quarz S1O2, und als Material H Niobpentoxid Nb2Ü5 oder Titandioxid T1O2 mit der Brechzahl nH > 2,25 vorgesehen sind.

3. Pro ektionssystem (100) zur Projektion digitaler Bilddaten mit folgenden Komponenten:

a) zwei bildgebenden Einheiten (102, 104), wobei das Licht (216, 218) der beiden bildgebenden Einheiten (102, 104) senkrecht zueinander polarisiert ist; und

b) einem Projektionsobjektiv (106) nach einem der vorhergehenden Ansprüche .

Description:
Projektion digitaler Bilddaten mit hoher Lichtausbeute

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Pro ektionsob ektiv für die Projektion digitaler Bilddaten. Derartige Objektive werden vor allem in der digitalen Videotechnik für die Projektion digital aufgezeichneter Bilder in Kinos, in der Werbung oder bei Präsentationen eingesetzt.

Stand der Technik

Bei der Projektion digitaler Bilddaten werden digitale elektrische Bildsignale in optische Informationen umgewandelt und auf eine Projektionswand projiziert.

Wichtige Technologien bei der digitalen Projektion sind die Flüssigkristall-Technologie (Liquid Crystal Display, LCD) und die sogenannte DLP-Technologie (Digital Light Processing) .

In der DLP-Technologie werden Matrizen von mikroelektrome- chanischen Spiegelsystemen (Digital Mirror Device, DMD) eingesetzt, welche einfallendes Licht je nach Stellung der einzelnen Spiegelelemente der Matrizen durch ein Projektionsobjektiv auf eine Projektionswand projizieren oder blockieren. Herkömmliche LCD-Pro ektoren arbeiten transmissiv, das heißt ein LCD befindet sich vor der Pro ektorlampe und steuert die Lichtintensität .

Projektoren mit Liquid Crystal on Silicon (LCoS ) -Technik ar- beiten ähnlich wie DLP-Geräte. Statt eines Chips mit kleinen Spiegeln kommt allerdings ein LCD zum Einsatz. Dieses reflektiert ebenfalls das Licht der Projektorlampe auf eine Leinwand. Kontrast und Schwarzwert entsprechen denen der DLP-Proj ektoren. Im Gegensatz zu DMD-Chips benötigen LCoS-Chips aber keine Stege zwischen den einzelnen Pixeln, was eine höhere Lichtausbeute mit sich bringt.

Da bei der digitalen Projektion raumaufwändige optische Elemente, wie z. B. ein Strahlenvereiniger, zwischen die Bildinformationsquelle (LCD, LCoS-, DLP-Chip) und das Proj ektionsob- jektiv integriert werden, müssen Projektionsobjektive für die digitale Projektion eine hohe Schnittweite aufweisen. Die

Schnittweite ist dabei als der Abstand der letzten objektseiti- gen Linsenoberfläche von der obj ektseitigen Brennebene definiert .

Der Einsatz von digitalen Projektionsgeräten, vor allem in öffentlichen Einrichtungen sowie für Werbung und im Kino nimmt ständig zu und erfordert zur Verbesserung der Bildqualität für diese Einsatzzwecke ein zunehmend größeres Auflösungsvermögen der hierbei verwendeten Projektionsobjektive.

Um bei diesem Projektionsverfahren ein ausreichend kontrastreiches Bild zu erhalten, ist es erforderlich, dass die für diese Zwecke eingesetzten Projektionsobjektive eine hohe Modu- lationsübertragungsfunktion (Modulation Transfer Function, MTF) aufweisen.

Außerdem muss der Farbquerfehler (laterale chromatische

Aberration) möglichst gering sein, d. h. Punkte unterschiedlicher Farben müssen durch das Projektionsobjektiv möglichst in gleicher Weise projiziert werden. Darüber hinaus müssen Pro ektionsob ektive für die digitale Projektion unter Einsatz von DMDs einen weitgehend objektseitig telezentrischen Strahlengang aufweisen. Dies ist dadurch begründet, dass der Strahlenvereiniger dem Objektiv nur Licht un- terhalb eines bestimmten Grenzwinkels zuführen kann. Auch bei der Projektion unter Einsatz eines Strahlenvereinigers darf ein bestimmter Winkel nicht überschritten werden, da die dichroiti- schen Schichten im Strahlenvereiniger ansonsten eine Farbverschiebung (Colorshading) bewirken.

Obj ektseitige Telezentrie bedeutet, dass die Eintrittspupille nahezu im Unendlichen liegt. In anderen Worten, die von den Punkten des Objekts ausgehenden Hauptstrahlen (also Strahlen durch den Mittelpunkt der Eintrittspupille) verlaufen parallel zur optischen Achse bzw. überschreiten einen bestimmtem Tole- ranzwinkel nicht.

Neben den o. g. Anforderungen an die optischen Parameter der Projektionsobjektive ist bei der digitalen Projektion auf große Leinwände ein gravierendes Problem die Lichtausbeute.

Insbesondere die bei der digitalen Projektion verwendeten LCD- bzw. LCoS-Proj ektionsmedien sind stark temperaturempfindlich und können daher nicht mit beliebig hoher Lichtleistung belastet werden, was zu einer Begrenzung der Helligkeit auf der Leinwand führt . Aufgabe

Aufgabe der Erfindung ist es, die Lichtausbeute bei der digitalen Projektion deutlich zu erhöhen.

Lösung

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit den Merkmalen de: unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum In- halt dieser Beschreibung gemacht. Die Erfindung umfasst auch alle sinnvollen und insbesondere alle erwähnten Kombinationen von unabhängigen und/oder abhängigen Ansprüchen.

Es wird ein Pro ektionsob ektiv zur Projektion digitaler Bilddaten von zwei bildgebenden Einheiten auf eine Projektionswand vorgeschlagen. Das Licht der beiden bildgebenden Einheiten ist dabei senkrecht zueinander polarisiert.

Das vorgeschlagene Projektionsobjektiv weist folgende Elemente auf :

a) zwei, den bildgebenden Einheiten zugewandte, identische erste Teilobjektive;

b) ein der Projektionswand zugewandtes zweites Teilobjektiv, und

c) einen polarisierenden Strahlenvereiniger .

Der polarisierende Strahlenvereiniger ist zwischen dem ersten Teilobjektiv und dem zweiten Teilobjektiv angeordnet. Jedes der beiden ersten Teileobjektive bildet zusammen mit dem polarisierenden Strahlenvereiniger und dem zweiten Teilobjektiv ein digitales Projektionsobjektiv, wobei der polarisierende Strah- lenvereiniger das Licht der beiden bildgebenden Einheiten zu einem gemeinsamen Strahlengang vereinigt.

LCD- und LCoS-Proj ektoren strahlen prinzipbedingt polarisiertes Licht aus. Sie können daher als bildgebende Einheiten für das vorgeschlagene Projektionsobjektiv dienen.

Bei dem erfindungsgemäßen Projektionsobjektiv bekommen die beiden Teilobjektive Licht von je einem Projektor / bildgebenden Einheit. Das Licht des einen Projektors muss daher in seiner Polarisationsrichtung um 90° gedreht sein gegenüber dem Licht des anderen Projektors / der anderen bildgebenden Ein- heit, damit es mit dem polarisierenden Strahlenvereiniger mit dem Licht des zweiten Projektors verlustfrei zusammengeführt werden kann. Dies führt nahezu zu einer Verdoppelung der Lichtausbeute . Die bildgebenden Einheiten liefern die zu pro izierenden (ggf. digitalen) Bildinhalte, d. h. sie liefern Licht, welches die Bildinhalte transportiert. Das erfindungsgemäße Projektionsobjektiv ist in der Lage, die Bildinhalte von zwei bildge- benden Einheiten zu projizieren. Jede der bildgebenden Einheiten enthält mindestens ein Proj ektionsmedium.

Die üblicherweise heutzutage als Projektionsmedien zum Einsatz kommenden LCD- oder LCoS-Chips liefern dabei grundsätzlich polarisiertes Licht. Dabei kann es sich um eine 1-Chip-, 2- Chip- oder 3-Chip-Proj ektion handeln.

Jede bildgebende Einheit kann entweder ein Projektionsmedium oder mehrere, insbesondere drei Projektionsmedien aufweisen. Typischerweise würden drei Projektionsmedien für die drei Farben Rot, Grün und Blau verwendet.

Der Aufbau des vorgeschlagenen Projektionsobjektivs ist sowohl für eine 1-Chip- als auch für eine 3-Chip-Proj ektion in den bildgebenden Einheiten geeignet.

Bei einer 1-Chip-Proj ektion werden üblicherweise die für die farbige Projektion benötigten Farben durch ein sogenanntes Farbrad oder Filter-Wheel sukzessive projiziert. Bei einer 3- Chip-Proj ektion werden für die drei Farben Rot, Grün und Blau je ein Chip eingesetzt. Die drei Farben werden anschließend in einem Strahlenvereinigerwürfel zusammengeführt. Für den vorgeschlagenen Aufbau würde dies für jeden der beiden Licht- Eintrittskanäle erfolgen.

Nicht geeignet ist das System für die Verwendung von farbigen LED-Chips bzw. eines DMD, da diese i. d. R. keine polarisiertes Licht abstrahlen.

Die Lichterzeugung bei der vorgeschlagenen Lösung kann, wie üblich, z. B. von Lampen realisiert werden.

Die Bezeichnung „Projektionsobjektiv" umfasst die Kombination aus Linsen und Strahlenvereinigerwürfel . Die Teilobjektive sind typischerweise in einem Winkel von 90° zueinander angeord- net . Dabei sind alle Teilob ektive und der Strahlenvereiniger- würfel in eine gemeinsame bauliche Einheit integriert, die Anschlussflächen für die bildgebenden Einheiten aufweist.

Die Pro ektionsmedien und die gegebenenfalls zu den Projek- tionsmedien gehörenden Strahlenvereinigerwürfel werden als Teil des Projektors / der bildgebenden Einheit betrachtet.

Der polarisierende Strahlenvereiniger besteht zweckmäßigerweise aus zwei 90°-Prismen, die jeweils durch eine Brechzahl nP charakterisiert sind. Zwischen den Hypotenusenflächen der Prismen ist ein Interferenzschichtsystem angeordnet, wobei in dem Interferenzschichtsystem eine Schicht aus einem Material H mit einer Brechzahl nH > nP und eine Schicht aus einem Material L mit einer Brechzahl nL < nP alternierend aufeinander folgen.

Zur Verbindung der beiden Prismen und des Interferenzschichtsystems miteinander ist mindestens eine Schicht aus einem optischen Kitt mit einer Brechzahl nL < nKitt < nP < nH vorgesehen.

Dabei ist das Interferenzschichtsystem mit der Schichtfolge ausgelegt, wie in der nachstehenden Tabelle 4 ausgeführt. Die jeweilige Schichtdicke ist in Mikrometer angegeben.

Schicht Kennbuchstabe Dicke

des [μπι]

Materials

1 H 0, 126190

2 L 0, 078320

3 H 0, 139240

4 L 0, 100280

5 H 0, 120280

6 L 0, 117210

7 H 0, 121100

8 L 0, 134560

9 H 0, 039780

10 L 0, 183640

11 H 0, 042200

12 L 0, 234140

13 H 0, 027570 Schicht Kennbuchstabe Dicke

des [μπι]

Materials

14 L 0, 174280

15 H 0, 038340

16 L 0, 114910

17 H 0, 062870

18 L 0, 049640

19 H 0, 078490

20 L 0, 017000

21 H 0, 056480

Tabelle 4

Für das Interferenzschichtsystem ist vorzugsweise als Mate- rial L ein niedrigbrechendes Material mit einer Brechzahl 1.46 < nL < 1.475, insbesondere Quarz S1O 2 , und als Material H Niob- pentoxid Nb 2 Ü5 oder Titandioxid T1O 2 mit der Brechzahl nH > 2.25 vorgesehen.

Die Prismen bestehen aus einem Glas mit einem Brechungsindex von 1,7000 bis 1,8000, insbesondere von 1,74950, und einer Abbe-Zahl Vd von 25,0 bis 55,0, insbesondere von 35,33, insbesondere aus dem Glas mit dem internationalen Glascode 750353 (Handelsname N-LAF7 von Schott bzw. S-NBH51 von Ohara) .

Im Stand der der Technik gibt es polarisierende Strahltei- lerwürfel, die auch im umgekehrten Strahlenverlauf als Strah- lenvereiniger genutzt werden könnten, z. B. vom Typ MacNeille (s. z. B. US 2,403,731), die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie das parallel schwingende Licht sehr gut durchlassen ( Tp > 97%) und das senkrecht schwingende Licht fast vollständig re- flektieren (Rs > 99%). Allerdings ist der Akzeptanzwinkel sehr klein, d. h. der Winkel unter dem Lichtstrahlen eintreten dürfen, damit die Funktion gegeben ist.

Jüngere Entwicklungen zeigen, dass es für einen schmalbandi- gen Wellenlängenbereich, d. h. nur für einen Teil des sichtba- ren Lichts, auch polarisierende Strahlteilerwürfel gibt, die einen höheren Akzeptanzwinkel zulassen (s. z. B. DE 10 315 688 AI) .

Gegenüber dem Strahlenteiler vom Typ MacNeille (s. oben) weist der vorgeschlagene polarisierenden Strahlenvereiniger einen deutlich größeren Akzeptanzwinkel auf. Zusätzlich ist er breitbandig; er erfasst den ganzen sichtbaren Spektralbereich.

Zur Erfindung gehört auch ein Pro ektionssystem zur Projektion digitaler Bilddaten mit folgenden Komponenten:

a) zwei bildgebenden Einheiten, wobei das Licht der beiden bildgebenden Einheiten senkrecht zueinander polarisiert ist; und

b) einem Projektionsobjektiv entsprechend dem oben beschriebenen Aufbau.

Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle - nicht genannten - Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.

Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Im Einzelnen zeigt : Fig. 1 eine schematische Darstellung des prinzipiellen optischen Aufbaus des Proj ektionssystems;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus des polarisierenden Strahlenvereinigers; Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei- spiels der prinzipiellen Linsenanordnung des Projektionsobjektivs mit den zwei ersten und dem zweiten Teilobjektiv sowie einem eingefügten polarisierenden

Strahlenvereiniger;

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Verlaufs der Reflexion des p-Lichtes, aufgetragen über der Wellenlänge und dem Feldwinkel des 43 mm Objektivs; und

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Verlaufs der Transmis- sion des s-Lichts, aufgetragen über der Wellenlänge und dem Feldwinkel des 43 mm Objektivs.

Die technischen Daten von drei Ausführungsbeispielen des Projektionsobjektivs gemäß der schematischen Darstellung in Fig. 3 sind in den Tabellen 1 bis 3 aufgelistet. Im Einzelnen zeigt:

Tab. 1 eine Liste der Radien, der Dicken bzw. Luftabstände, der Brechzahlen und der Abbe-Zahlen eines ersten Ausführungsbeispiels des in Fig. 3 dargestellten Projek- tionsobj ektivs;

Tab. 1A eine Liste der Asphärenkoeffizienten des ersten Ausführungsbeispiels des in Fig. 3 dargestellten Projek- tionsobj ektivs;

Tab. 2 eine Liste der Radien, der Dicken bzw. Luftabstände, der Brechzahlen und der Abbe-Zahlen eines zweiten Ausführungsbeispiels des in Fig. 3 dargestellten Projek- tionsobj ektivs;

Tab. 2A eine Liste der Asphärenkoeffizienten des zweiten Ausführungsbeispiels des in Fig. 3 dargestellten Projek- tionsobj ektivs;

Tab. 3 eine Liste der Radien, der Dicken bzw. Luftabstände, der Brechzahlen und der Abbe-Zahlen eines dritten Aus- führungsbeispiels des Pro ektionsob ektivs (in den Figuren nicht dargestellt);

Tab. 3A eine Liste der Asphärenkoeffizienten des dritten Ausführungsbeispiels des Projektionsobjektivs.

Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Projektionssystems 100 in seinem prinzipiellen Aufbau, bestehend aus dem Projektionsobjektiv 106 und zwei bildgebenden Einheiten 102, 104. Das Projektionsobjektiv 106 weist zwei erste Teilobjektive 108, 110 und ein zweites Teilobjektiv 112 auf. Die zwei ersten Teilobjektive 108, 110 sind den bildgebenden Einheiten 102, 104 zugewandt, während das zweite Teilobjektiv 112 einer Projektionswand 113 zugewandt ist. Die bildgebenden Einheiten weisen auch einen Strahlenvereiniger 105, 107 auf. Der Strah- lenvereiniger 105 weist eine Lichtaustrittsfläche 105a, eine Lichteintrittsfläche 105b sowie eine transparente Platte 105c mit einer Lichteintrittsfläche 105d auf. Der Strahlenvereiniger 107 im seitlichen Strahlengang ist identisch ausgestaltet.

In das Projektionsobjektiv 106 ist außer den Teilobjektiven

108, 110 und 112 noch ein polarisierender Strahlenvereiniger 200 integriert. Der polarisierende Strahlenvereiniger 200 ist im Luftraum zwischen den beiden ersten Teilobjektiven 108, 110 und dem zweiten Teilobjektiv 112 angeordnet.

Die beiden ersten Teilobjektive 108, 110 sind jeweils vor einer Eintrittsfläche des polarisierenden Strahlenvereinigers 200 in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet. Der optische Aufbau der beiden ersten Teilobjektive 108, 110, sowie deren Anordnung zwischen den bildgebenden Einheiten 102, 104 und den jeweiligen Eintrittsflächen des polarisierenden Strahlenvereinigers 200 stimmen überein.

Der grundsätzliche Aufbau des beschriebenen Projektionssystems 100 kann auf der Basis von diversen Kino-Projektions- objektiven für die digitale Projektion realisiert werden. Projektionsobjektive für die digitale Projektion haben in aller Regel einen telezentrischen Aufbau, weshalb sie auch in der Mitte des Objektivs bzw. etwa in der Mitte des Objektivs einen großen Luftraum aufweisen. Dieser Luftraum ist geeignet, den hier vorgeschlagenen polarisierenden Strahlenvereinigerwürfel 200 einzubauen. Dadurch kann, ausgehend von einem bekannten Projektionsobjektiv für die digitale Kinoprojektion, einerseits der hier beschriebene Strahlenvereinigerwürfel 200 in den gro- ßen Luftraum in der Mitte des Objektivs 106 eingebaut werden, andererseits besteht die Möglichkeit, die Linsengruppe 110, die sich zwischen dem dann eingebauten Strahlenvereinigerwürfel 200 und der bildgebenden Einheit 104 befindet, bezüglich der Linsengruppe 108 identisch um 90° versetzt angebaut werden, um das erfindungsgemäße digitale Projektionsobjektiv zu schaffen.

Der in der Fig. 2 gezeigte polarisierende Strahlenvereiniger 200 besteht aus zwei identischen 90°-Prismen 202, 204 mit einer Brechzahl nP. Die Prismen bestehen aus einem Glas mit einem Brechungsindex von 1,7 bis 1,8, insbesondere von 1,74950, und einer Abbe-Zahl von 25,0 bis 55,0, insbesondere von 35,33, und insbesondere aus dem Glas mit dem internationalen Glascode 750353.

Zwischen den Hypotenusenflachen 206, 208 der beiden Prismen 202, 204 ist ein Interferenzschichtsystem 210 angeordnet. Das Interferenzschichtsystem 210 ist auf der Hypotenusenfläche 206 des Prismas 202 aufgedampft. Bei dem Interferenzschichtsystem 210 sind insgesamt 21 Schichten, und zwar Schichten aus einem Material H mit einer Brechzahl nH > nP und Schichten aus einem Material L mit einer Brechzahl nL < nP, alternierend aufeinander folgend in der Schichtfolge 212 (von 1 bis 21 gemäß Tabelle 4) angeordnet. Die Verbindung der beiden Prismen 202, 204 und des Interferenzschichtsystems 210 miteinander wird durch die Schicht 214 aus einem optischen Kitt realisiert, die zwischen dem Interferenzschichtsystem 210 und der Hypotenusenfläche 208 des Prismas 204 angeordnet ist.

Das seitlich in das Objektiv 106 einfallende Licht 216 definiert zusammen mit dem zur Pro ektionswand 113 hin laufenden Licht eine Ebene. Licht, dessen Polarisationsrichtung in dieser Ebene liegt, wird als parallel polarisiert bezeichnet (p- Licht), hier Licht des Strahlengangs 218. Senkrecht zu dieser Ebene polarisiertes Licht wird als s-Licht bezeichnet, hier Licht des Strahlengangs 216.

Der Strahlenvereinigerwürfel 200 reflektiert an seiner diagonalen Mittelebene 210 das s-Licht 216 und transmittiert das p-Licht 218. In dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist daher das gerade durchgehende Licht 218 p- Licht, bzw. das in einem 90°-Winkel hierzu in das Objektiv 106 eingekoppelte Licht 216 s-Licht. Beide Strahlengänge 216, 218 werden somit im Strahlenvereinigerwürfel 200 miteinander zum Strahlengang 219 vereinigt und verlaufen so durch das zweite Teilobjektiv 112 in Richtung der Projektionswand 113.

Für die Definition der Polarisationsrichtungen der eingekoppelten Teilstrahlen 216, 218 gibt es mehrere übliche Möglichkeit. Dazu zählen zum Beispiel der Einsatz einer Lambda- Viertel-Platte. Es ist aber ebenso gut möglich, bereits beim

Aufbau der LCD- oder LCoS-Proj ektionsmedien die Polarisationsrichtung geeignet einzustellen bzw. festzulegen.

Die in Fig. 3 als Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Projektionsobjektivs 106 dargestellte optische Anordnung weist im p-Strahlengang 218, 219, in der Reihenfolge von der Projektionswand 113 aus betrachtet, also von links nach rechts, insgesamt folgende Elemente auf: - eine erste negative Meniskuslinse 304, wobei die konvexe Oberfläche 302 der Pro ektionswand 113 zugewandt ist;

- eine zweite negative Meniskuslinse 310, wobei die konvexe Oberfläche 308 der Pro ektionswand 113 zugewandt ist;

- eine dritte Bikonkav-Linse 316, wobei die geringer konkave

Oberfläche 314 der Projektionswand 113 zugewandt ist;

- eine vierte positive Meniskuslinse 322, wobei die konkave Oberfläche 320 der Projektionswand 113 zugewandt ist;

- eine fünfte positive Meniskuslinse 328, wobei die konvexe Oberfläche 326 der Projektionswand 113 zugewandt ist;

- eine sechste positive Meniskuslinse 334, wobei die konvexe Oberfläche 332 der Projektionswand 113 zugewandt ist;

- eine siebente negative Meniskuslinse 340, wobei die konvexe Oberfläche 338 der Projektionswand 113 zugewandt ist;

- einen Strahlenvereinigerwürfel 200;

- eine achte Bikonvexlinse 350, wobei die geringer gewölbte Oberfläche 348 der Projektionswand 113 zugewandt ist;

- eine neunte negative Meniskuslinse 356, wobei die konkave Oberfläche 352 der Projektionswand 113 zugewandt ist;

- eine zehnte Bikonkav-Linse 362, wobei die geringer konkave

Oberfläche 360 der Projektionswand 113 zugewandt ist;

- eine elfte Bikonvexlinse 368, wobei deren stärker gewölbte Oberfläche 366 der Projektionswand 113 zugewandt ist; und

- eine zwölfte Bikonvexlinse 374, wobei deren stärker ge- wölbte Oberfläche 372 der Projektionswand 113 zugewandt ist.

Die achte und neunte Linse 350, 356 sind miteinander verkittet und bilden eine Dublette.

Die erste bis siebente Linse sind dabei optische Elemente des zweiten Teilobjektivs 112, während die achte bis zwölfte Linse optische Elemente des ersten Teilobjektivs 110 im p- Strahlengang 218 sind.

Das weitere erste Teilobjektiv 108, welches im s- Strahlengang 216 in einem Winkel von 90° zum p-Strahlengang 218 angeordnet ist, besteht, in der Reihenfolge vom polarisierenden Strahlenvereiniger 200 aus betrachtet, aus folgenden Linsen:

- einer Bikonvex-Linse 378,

- einer negativen Meniskuslinse 380,

- einer Bikonkav-Linse 382,

- einer Bikonvex-Linse 384, und

- einer weiteren Bikonvex-Linse 386.

Die Linsenanordnung, die Linsenformen und optischen Daten der Linsen des Teilob ektivs 108 im s-Strahlengang sind iden- tisch mit denen der Linsen des Teilob ektivs 110 im p- Strahlengang.

Die genauen Angaben zu den technischen Daten, wie Radien, Dicken bzw. Luftabstände, Brechzahlen und Abbe-Zahlen, der in Fig. 3 schematisch dargestellten Linsenanordnung, die zusammen mit dem in Fig. 2 beschriebenen polarisierenden Strahlenvereiniger ein geeignetes Projektionsobjektiv bilden, finden sich für drei konkrete Ausführungsbeispiele in den Tab. 1 bis 3.

Dabei zeigt Tabelle 1 die optischen Daten eines Projektions- Objektivs 106 mit einer Blendenzahl von 2,5 und einer Brennweite von 43 mm.

Tabelle 2 zeigt die Daten eines Projektionsobjektivs 106 mit einer Blendenzahl von 2,5 und einer Brennweite von 38 mm.

Tabelle 3 listet die Daten (Radien, Dicken bzw. Luftabstände, Brechzahlen und Abbe-Zahlen) eines dritten Ausführungsbei- spiels des Projektionsobjektivs mit einer Blendenzahl von 2,5 und einer Brennweite von 60 mm auf. Das Projektionsobjektiv dieses dritten Beispiels ist in den Figuren nicht dargestellt. Es unterscheidet sich vom schematischen Aufbau der Fig. 3 dadurch, dass das zweite Teilobjektiv 112, anstelle von sieben Linsen, nur über 6 Linsen verfügt. Der prinzipielle Aufbau der Tab. 3 ist analog den Tabellen 1 und 2, enthält jedoch keine Bezugsziffern.

In den Tabellen 1A und 2A sind die jeweiligen Asphärendaten der Projektionsobjektive 106 gemäß Fig. 3 bzw. den Tabellen 1 und 2 aufgelistet, nämlich

- Tabelle 1A für das Objektiv mit 43 mm Brennweite gem. Tab. 1, und

- Tabelle 2A für das Objektiv mit 38 mm Brennweite gem. Tab. 2, zusammen mit den jeweils zugehörigen Bezugsziffern.

Tabelle 3A listet die Asphärendaten für das Projektionsobjektiv mit 60 mm Brennweite entsprechend Tabelle 3 auf. Die verwendeten Abkürzungen bzw. Koeffizienten werden im

Folgenden kurz erläutert. Die Oberfläche einer asphärischen Linse kann allgemein mit der folgenden Formel beschrieben werden:

Z =

wobei

z die Pfeilhöhe (in mm) in Bezug auf die achsensenkrechte

Ebene angibt, also die Richtung der Abweichung von der E- bene senkrecht zur optischen Achse, d. h. in Richtung der optischen Achse.

C die sogenannte Scheitelkrümmung angibt. Sie dient zur

Beschreibung der Krümmung einer konvexen oder konkaven

Linsenoberfläche und errechnet sich aus dem Kehrwert des

Radius .

y den Abstand von der optischen Achse (in mm) angibt, y ist eine Radialkoordinate. K die sogenannte Konuskonstante angibt.

A 2 , A , Ä6, As, A 10 die sogenannten Asphärenkoeffizienten darstellen, die die Koeffizienten einer Polynomentwicklung der Funktion zur Beschreibung der Oberfläche der Asphäre sind.

In den Figuren 4 und 5 sind Kennwerte des Pro ektionsob ektivs mit 43 mm Brennweite graphisch dargestellt.

Fig. 4 zeigt dabei für das 43 mm-Proj ektionsobj ektiv eine räumliche Darstellung des graphischen Verlaufs der Transmission 400 des Lichtes im p-Strahlengang bei verschiedenen Feldwinkeln, während in Fig. 5 hierzu der graphische Verlauf der Reflexion 500 des Lichtes im s-Strahlengang gezeigt wird.

Die beiden Verlaufsgraphiken 400 und 500 verdeutlichen, dass mit dem erfindungsgemäßen Projektionsobjektiv 106 eine extrem hohe Lichtausbeute hinsichtlich des durch das zweite Teilobjektiv 112 in Richtung des Projektionswand 113 in dem gemeinsamen Strahlengang 219 verlaufenden Lichtes realisiert wird, wobei dieses Ergebnis auf den hervorragenden Reflexions- bzw. Trans- missionseigenschaften des polarisierenden Strahlenvereiniger- würfels 200 begründet ist. Man erkennt sowohl die große spektrale Breite bzw. Homogenität, als auch den großen Akzeptanzwinkel.

Es sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen der be schriebenen Ausführungsbeispiele verwirklichbar. So sind z. B. alle Maßangaben über Dicken bzw. Abstände oder Radien grundsätzlich skalierbar für unterschiedliche Brennweiten und Anwen düngen. Tab. 1

Brennweite 43 mm / Blende k

Bezugs ¬ Radius Dicken bzw. Brechzahl Abbe-Zahl zeichen [mm] Luft abstände n d v d

[mm]

302 112, 000

304 5, 500 1, 75520 27, 51

306 89, 801

14, 800 1, 00000

308 485, 556

310 6, 000 1, 43875 94, 99

312 79, 769

44, 830 1, 00000

314 -1689, 191

316 6, 000 1, 49700 81, 54

318 72, 541

39, 000 1, 00000

320 -346, 619

322 25, 000 1, 48749 70,41

324 -77, 200

18, 750 1, 00000

326 45, 620

328 5, 300 1, 48749 70,41

330 45, 620

9, 000 1, 00000

332 64, 831

334 7, 450 1, 55836 54, 01

336 155, 029

24, 750 1, 00000

338 82, 975

340 5, 710 1, 43875 94, 99

*342 31, 832

33, 700 1, 00000

220 UNENDLICH

200 40, 000 1, 61340 44, 27

205 UNENDLICH

21, 300 1, 00000

348 394.723

350 14, 570 1, 56907 71, 31

352 -41.256

356 23, 340 1, 61336 44,49

358 -68.665

8, 370 1, 00000

360 -1689.191

362 4, 940 1, 61336 44,49

364 53.570 Bezugs ¬ Radius Dicken bzw. Brechzahl Abbe-Zahl zeichen [mm] Luftabstände n d v d

[mm]

5, 140 1, 00000

366 61.551

368 15, 000 1, 43875 94, 99

370 -165.829

0, 120 1, 00000

372 129.729

374 6, 000 1, 43875 94, 99

376 -336.970

12, 000 1, 00000

105a UNENDLICH

105 116, 500 1, 51680 64, 17

105b UNENDLICH

105c 3, 000 1, 50847 61, 19

105d UNENDLICH

* = asphärische Oberfläche

Tab. 1A

Tab. 2

Brennweite 38 mm / Blende k

Bezugs ¬ Radius Dicken bzw. Brechzahl Abbe-Zahl zeichen [mm] Luft abstände n d v d

[mm]

*302 146, 891

304 6, 000 1, 59240 68, 36

306 72, 253

15, 000 1, 00000

308 359, 880

310 6, 000 1, 43875 94, 99

312 93, 513

44, 830 1, 00000

314 -1689, 191

316 6, 000 1, 49700 81, 54

318 84, 636

39, 000 1, 00000

320 -654, 855

322 25, 000 1, 48749 70,41

324 -84, 969

18, 750 1, 00000

326 50, 849

328 5, 300 1, 48749 70,41

330 53, 802

7, 500 1, 00000

332 68, 600

334 7, 450 1, 55836 54, 01

336 133, 938

24, 750 1, 00000

338 71, 057

340 5, 710 1, 43875 94, 99

342 31, 832

*342 31, 832 0, 010 1, 48749 70,41

33, 700 1, 00000

220 UNENDLICH

200 40, 000 1, 74950 35, 33

205 UNENDLICH

19, 300 1, 00000

348 1062, 002

350 14, 570 1, 56907 71, 31

352 -43, 173

356 23, 340 1, 61336 44,49

358 -67, 782

8, 370 1, 00000

360 -748, 944 Bezugs ¬ Radius Dicken bzw. Brechzahl Abbe-Zahl zeichen [mm] Luftabstände n d v d

[mm]

362 4, 940 1, 61336 44,49

364 56, 766

5, 200 1, 00000

366 65, 394

368 15, 000 1, 43875 94, 99

370 -150, 993

0, 120 1, 00000

372 105, 507

374 6, 300 1, 43875 94, 99

376 -392, 46

12, 000 1, 00000

105a UNENDLICH

105 116, 500 1, 51680 64, 17

105b UNENDLICH

105c 3, 000 1, 50847 61, 19

* = asphärische Oberfläche

Tab . 2A

Tab. 3

Brennweite 60 mm / Blende k = 2,5

Fläche Radius Dicken bzw. Brechzahl Abbe-Zahl

[mm] Luft abstände n d v d

[mm]

1 237, 317

6, 000 1, 64769 33, 79

2 90, 543

13, 180 1, 00000

3 186, 318

6, 000 1, 49700 81, 54

4 54, 651

26, 800 1, 00000

5 -40, 056

10, 000 1, 51680 64, 17

6 -44, 104

0, 100 1, 00000

7 1115, 641

9, 300 1, 55836 54, 01

8 -102, 323

3, 500 1, 00000

9 44, 310

9, 450 1, 56883 55, 98

10 51, 682

33, 320 1, 00000

11 47, 582

5, 710 1, 49700 81, 54

*12 29, 523

30, 000 1, 00000

13 UNENDLICH

40, 000 1, 74950 35, 33

14 UNENDLICH

16, 800 1, 00000

15 -397, 918

15, 570 1, 59240 68, 36

16 -37, 215

21, 600 1, 61340 44, 27

17 -62, 044

11, 390 1, 00000

18 -1544, 914

4, 940 1, 61336 44,49

19 57, 232

5, 000 1, 00000

20 66, 183

11, 700 1, 43875 94, 99

21 -170, 217 Fläche Radius Dicken bzw. Brechzahl Abbe-Zahl

[mm] Luftabstände n d v d

[mm]

0, 120 1, 00000

22 87, 283

7, 700 1, 43875 94, 99

23 -597, 029

12, 000 1, 00000

24 UNENDLICH

116, 500 1, 51680 64, 17

25 UNENDLICH

3, 000 1, 50847 61, 19

26 UNENDLICH

0, 000 1, 00000

* = asphärische Oberfläche

Tab . 3A

Bezugszeichen

100 Pro ektionssystem

102 bildgebende Einheit

104 bildgebende Einheit

105 Strahlenvereiniger der bildgebenden Einheit im p- Strahlengang

105a Lichtaustrittsfläche des Strahlenvereinigers

105b Lichteintrittsfläche des Strahlenvereinigers / Oberfläche der transparenten Platte 105c

105c transparente Platte

105d Lichteintrittsfläche der transparenten Platte 105c

106 Pro ektionsob ektiv

107 Strahlenvereiniger der bildgebenden Einheit im s- Strahlengang

108 erstes Teilobjektiv im s-Strahlengang

110 erstes Teilobjektiv im p-Strahlengang

112 zweites Teilobjektiv

113 Projektionswand

200 polarisierender Strahlenvereiniger

202 erstes Prisma des polarisierenden Strahlenvereinigers

203 Eintrittsfläche des ersten Prismas

204 zweites Prisma des polarisierenden Strahlenvereinigers

205 Eintrittsfläche des zweiten Prismas

206 Hypotenusenfläche des Prismas 1 des polarisierenden

Strahlenvereinigers

208 Hypotenusenfläche des Prismas 2 des polarisierenden

Strahlenvereinigers

210 Interferenzschichtensystem zwischen den Hypotenusenflächen der Prismen des polarisierenden Strahlenvereinigers ( Schichtfolge von 1 bis 21)

212 Richtung der definierten Schichtenfolge (von 1 bis 21) 214 Schicht aus optischem Kitt

216 s-Strahlengang

218 p-Strahlengang

219 gemeinsamer Strahlengang

220 Austrittsfläche des ersten Prismas

302 erste Oberfläche der Linse 304

304 erste Linse (negative Meniskuslinse) des zweiten Teil-

Obj ektivs

306 zweite Oberfläche der Linse 304

308 erste Oberfläche der Linse 310

310 zweite Linse (negative Meniskuslinse) des zweiten Teil-

Obj ektivs

312 zweite Oberfläche der Linse 310

314 erste Oberfläche der Linse 316

316 dritte Linse (Bikonvex-Linse ) des zweiten Teil-

Obj ektivs

318 zweite Oberfläche der Linse 316

320 erste Oberfläche der Linse 322

322 vierte Linse (positive Meniskuslinse) des zweiten Teil-

Obj ektivs

324 zweite Oberfläche der Linse 322

326 erste Oberfläche der Linse 328

328 fünfte Linse (positive Meniskuslinse) des zweiten Teil-

Obj ektivs

330 zweite Oberfläche der Linse 328

332 erste Oberfläche der Linse 334

334 sechste Linse (positive Meniskuslinse) des zweiten

Teil-Obj ektivs

336 zweite Oberfläche der Linse 334

338 erste Oberfläche der Linse 340

340 siebente Linse (negative Meniskuslinse) des zweiten

Teil-Obj ektivs

342 zweite Oberfläche der Linse 340 348 erste Oberfläche der Linse 350

350 erste Linse des ersten Teil-Ob ektivs 110

352 zweite Oberfläche der Linse 350 / erste Oberfläche der

Linse 356

356 zweite Linse des ersten Teil-Ob ektivs 110

358 zweite Oberfläche der Linse 356

360 erste Oberfläche der Linse 362

362 dritte Linse des ersten Teil-Objektivs 110

364 zweite Oberfläche der Linse 362

366 erste Oberfläche der Linse 368

368 vierte Linse des Teil-Objektivs 110

370 zweite Oberfläche der Linse 368

372 erste Oberfläche der Linse 374

374 fünfte Linse des ersten Teil-Objektivs 110

376 zweite Oberfläche der Linse 374

378 erste Linse des ersten Teilobjektivs 108 im s-

Strahlengang (vom polarisierenden Strahlenvereiniger aus betrachtet)

380 zweite Linse des ersten Teilobjektivs 108 im s-

Strahlengang (vom polarisierenden Strahlenvereiniger aus betrachtet)

382 dritte Linse des ersten Teilobjektivs 108 im s-

Strahlengang (vom polarisierenden Strahlenvereiniger aus betrachtet)

384 vierte Linse des ersten Teilobjektivs 108 im s-

Strahlengang (vom polarisierenden Strahlenvereiniger aus betrachtet)

386 fünfte Linse des ersten Teilobjektivs 108 im s-

Strahlengang (vom polarisierenden Strahlenvereiniger aus betrachtet)

400 graphischer Verlauf der Transmission des Lichtes im p-

Strahlengang graphischer Verlauf der Reflexion des Lichtes im s-

Strahlengang

zitierte Literatur zitierte Patentliteratur

DE 10 315 688 AI

US 2,403,731