NL8602975A - Beeldprojektiestelsel. - Google Patents

Description

£ PHN 11.958 1 N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken te Eindhoven.

Beeldprojektiestelsel.

De uitvinding heeft betrekking op een beeldprojektiestelsel bevattende minstens één weergeefbuis en een multi-element projektielenzenstelsel voor het afbeelden van een beeld van de weergeefbuis op een projektiescherm, welke weergeefbuis een 5 beeldscherm in een geëvakueerde omhulling bevat waarbij het beeldscherm op de binnenzijde van een beeldvenster in de wand van de omhulling is aangebracht en voorzien is van een luminescerend materiaal en tussen dit materiaal en het beeldvenster een multilaags-interferentiefilter is aangebracht. De uitvinding heeft ook betrekking 10 op een projektie-inrichting voorzien van een dergelijk beeldprojektiestelsel.

Een weergeefbuis met interferentiefilter is beschreven in de Europese octrooiaanvrage nr. 0.170.320, waarin tevens is aangegeven dat deze buis met voordeel toegepast kan worden in een 15 televisieprojektiesysteem. Zoals beschreven is in de genoemde octrooiaanvrage, kan door het aanbrengen van een interferentiefilter dat uit een groot aantal, bijvoorbeeld veertien tot dertig, lagen is opgebouwd de eigenschappen van de weergeefbuis aanzienlijk verbeterd worden voor wat betreft de intensiteitsverdeling binnen en de 20 monochromaticiteit van de door de buis uitgezonden bundel. Het interferentiefilter laat licht met de gewenste golflengte door in de richting loodrecht op het beeldscherm en in richtingen die hoeken van maximaal bijvoorbeeld 30° met de normaal op dit scherm maken. Deze richtingen kunnen worden aangeduid met de voorwaartsrichtingen. Licht 25 dat onder grotere hoeken met de normaal, tot ongeveer 90°, uit de luminescerende laag treedt wordt door het interferentiefilter naar deze laag gereflekteerd. Dit licht wordt binnen de luminescerende laag verstrooid en wordt dan uitgezonden in de voorwaartsrichtingen, zodat de helderheid in deze richtingen vergroot wordt.

30 Het licht met golflengtes kleiner dan de gewenste golflengte wordt door het filter ook onder grotere hoeken doorgelaten, zodat voor deze golflengtes de winst in intensiteit in de 8602975 PHN 11.958 2 4 voorwaartsrichtingen kleiner is dan die voor de gewenste golflengte.

Voor golflengtes groter dan de gewenste golflengte is de maximale hoek waaronder het licht door het filter treedt kleiner dan die voor het licht met de gewenste golflengte, en zelfs kan het filter de langere 5 golflengtes helemaal blokkeren in de voorwaartsrichtingen. Het interferentiefilter zorgt derhalve niet alleen voor een bundeling binnen een kleinere ruimtehoek van het uitgezonden licht waardoor dat licht beter door het projektielenzenstelsel ingevangen kan worden, maar heeft ook een golflengte-selektieve werking waardoor de kans op het ontstaan 10 van chromatische aberraties in het projektielenzenstelsel wordt gereduceerd en het geprojekteerde beeld een beter kontrast kan hebben.

Gebleken is dat bij gebruik in projektiesystemen van weergeefbuizen voorzien van een interferentiefilter goede resultaten bereikt kunnen worden, indien dergelijke buizen worden gekombineerd met 15 projektielenzenstelsels met relatief grote brandpuntsafstanden, bijvoorbeeld in de orde van 130 mm. Voor een dergelijk projektielenzenstelsel ligt de intreepupil op relatief grote afstand van het beeldscherm van de buis. De intreepupil is gedefinieerd als de afbeelding van de physieke begrenzing, of "stop", in het lenzenstelsel 20 welke afbeelding wordt gevormd door de lenselementen die zich aan de voorwerpszijde van deze begrenzing bevinden. De intreepupil is gelegen op de positie waar de hoofdstraal van een scheef op het lenzenstelsel invallende bundel de optische as van dit stelsel snijdt. Indien de intreepupil op relatief grote afstand van het beeldscherm van de buis is 25 gelegen, is de veldhoek van het projektielenzenstelsel relatief klein, zodat alleen het door de beeldbuis in de voorwaartsrichtingen uitgestraalde licht door het lenzenstelsel ingevangen wordt.

In het kader van de onderhavige octrooiaanvrage wordt onder de voorwerp-, respektievelijk de beeld-, veldhoek verstaan de hoek 30 tussen de optische as van het lenzenstelsel en de hoofdstraal van een van de hoek van het voorwerp, afkomstige, respektievelijk op de hoek van het beeld gerichte, bundel die met nog aanvaardbare vignettering door het lenzenstelsel treedt. De hoek van het voorwerp is het einde van een diagonaal van het op het beeldvenster van de beeldweergeefbuis 35 geschreven beeld. De hoek van het beeld is het eind van de diagonaal van het op het projektiescherm gevormde beeld.

In verband met de toenemende vraag naar 8602975 PHN 11.958 3 ft projektiesystemen, met name kleurentelevisieprojektiesystemen, die in een kast met een kleiner volume ondergebracht kunnen worden, ontstaat steeds meer de behoefte een projektielenzenstelsel met een relatief kleine brandpuntsafstand, bijvoorbeeld kleiner dan 80 mm, te kunnen 5 toepassen, omdat dan de totale benodigde optische weglengte vanaf de beeldbuis tot het projektiescherm ook relatief klein is. Het verkleinen van de brandpuntsafstand van een projektielenzenstelsel in een projektiesysteem zal in het algemeen tot gevolg hebben dat de intreepupil van het lenzenstelsel dichter bij het beeldscherm van de 10 weergeefbuis komt te liggen. Dat betekent dat de voorwerps-veldhoek groter wordt en dat, met name op de hoek van het beeldvenster, ook licht dat in de niet-voorwaartse richtingen uitgezonden wordt door het projektielenzenstelsel opgevangen wordt en dus op het projektiescherm terecht komt. Het door de toeschouwers waargenomen beeld op het 15 projektiescherm vertoont dat een verloop van de helderheid vanaf het midden van het beeld naar de rand daarvan. Dit is een gevolg van het feit dat het interferentiefilter in de weergeefbuis de hoeveelheid licht in de niet-voorwaartse richtingen vermindert. Dit eerste helderheidsverloop wordt nog vermeerderd met een tweede soort 20 helderheidsverloop dat wordt veroorzaakt door de grotere hoek waaronder de hoofdstraal van een van de hoek van de weergeefbuis afkomstige bundel door het projektielenzenstelsel heen gaat en door vignettering aan de lenselementen.

Een tweede gevolg van het vergroten van de veldhoek is 25 dat kleurzweem over het projektiescherm optreedt vanwege de kleurselektieve werking van het interferentiefilter in de weergeefbuis.

De kleurzweem houdt in dit geval in dat vanaf het centrum van het projektiescherm naar de rand toe een verschuiving naar kortere golflengtes, derhalve naar het blauw, optreedt.

30 Om de problemen van helderheidsverloop en kleurzweem te elimineren, zou overwogen kunnen worden een interferentiefilter in de weergeefbuis aan te brengen dat licht van de gewenste golflengte ook onder grotere hoeken doorlaat. Dan zal echter de winst in helderheid aanzienlijk kleiner worden terwijl bovendien toch nog kleurzweem zal 35 optreden.

De onderhavige uitvinding heeft ten doel het in de aanhef genoemde beeldprojektiestelsel te verbeteren door de genoemde bezwaren 8602975 ΡΗΝ 11.958 4 '•9 op te heffen, waarbij de voordelen van het gebruik van een interferentiefilter in de weergeefbuis worden behouden en zelfs een beter gebruik daarvan gemaakt wordt.

Het beeldprojektiestelsel volgens de uitvinding vertoont 5 als kenmerk, dat een eerste lenselement van het projektielenzenstelsel, gezien vanaf de beeldzijde, wordt gevormd door een positief lenselement met een eerste, naar de beeldzijde gericht, brekend asferisch oppervlak en een tweede, naar de voorwerpszijde gericht brekend oppervlak dat konvex is en waarvan het kromtemiddelpunt in de beeldzijdehelft van dit 10 lenselement is gelegen, dat het projektielenzenstelsel minstens een tweede lenselement bevat waarvan het naar de beeldzijde gerichte oppervlak konkaaf is en het naar de weergeefbuis gerichte oppervlak een kromming heeft die aangepast is aan die van het beeldvenster, en dat de intreepupil van het projektielenzenstelsel gelegen is in de 15 beeldzijdehelft van het eerste lenselement.

Het projektielenzenstelsel heeft een relatief kleine brandpuntsafstand, bijvoorbeeld 78 mm of 90 mm, terwijl bovendien de veldhoek, zoals in het voorgaande gedefinieerd, klein is. Het eerste lenselement kan er in principe voor zorgen dat bij gelijkblijvende 20 veldhoek aan de beeldzijde die aan de voorwerpszijde wordt verkleind met een faktor gelijk aan de brekingsindex van het materiaal van dit element. Gezien in de omgekeerde stralingsweg, dus vanaf het projektiescherm naar de beeldbuis toe, kan het eerste lenselement een tussenafbeelding vormen die vrijwel geen koma en astigmatisme vertoont. 25 Om de sferische aberratie in de tussenafbeelding te reduceren is het eerste brekende oppervlak van het eerste lenselement asferisch.

Bij voorkeur vertoont dit projektielenzenstelsel als verder kenmerk, dat het asferische oppervlak van het eerste lenselement, 30 gezien vanaf de beeldzijde, in een gebied rondom de optische as konvex is en daarbuiten konkaaf.

Bij de gereduceerde veldhoek kan de verdere afbeelding, in de omgekeerde stralingsweg, met de bundel die door het eerste lenselement al konvergerend gemaakt is in principe tot stand gebracht 35 worden met behulp van alleen het tweede, konkave, lenselement. Dit element kan ook aangeduid worden als veldkrommingskorrektie lenselement of Field Flattener. Het konkave oppervlak van dit lenselement kan 8602975 ♦ '4 * PHN 11.958 5 asferisch zijn.

Een projektielenzenstelsel met slechts een eerste en tweede lenselement vertoont bij voorkeur als verder kenmerk, dat het tweede brekende oppervlak van het eerste lenselement asferisch is.

5 Dan kan de resterende aberratie in de gevormde afbeelding gereduceerd worden.

Een voorkeursuitvoeringsvorm van het beeldprojektiestelsel vertoont echter als verder kenmerk, dat tussen het eerste lenselement en het tweede lenselement een derde, bikonvex 10 lenselement is aangebracht dat een gedeelte van de totale optische sterkte van het projektielenzenstelsel levert. Bij voorkeur is de optische sterkte van het derde lenselement ongeveer gelijk aan die van het eerste lenselement.

Door toevoegen van het derde lenselement kan de numerieke 15 apertuur vergroot en kunnen aberraties verkleind worden bij gelijkblijvende brandpuntsafstand. In deze uitvoeringsvorm van het projektielenzenstelsel is, om vignettering te voorkomen, de physieke pupil meer naar het midden van het eerste lenselement gelegen; echter deze pupil bevindt zich nog steeds in het eerste gedeelte van dit 20 lenselement.

Een eerste uitvoeringsvorm van het projektielenzenstelsel met drie lenselementen vertoont als verder kenmerk, dat het naar de beeldzijde gerichte oppervlak van het derde lenselement asferisch is.

Dit draagt bij tot een vermindering van de aberraties van scheve bundels 25 in het projektiestelsel.

Een tweede uitvoeringsvorm van het projektielenzenstelsel met drie lenselementen vertoont als kenmerk, dat de naar de voorwerpszijde gerichte oppervlakken van het eerste en derde lenselement asferisch zijn. Dit projektielenzenstelsel bevat derhalve vier brekende 30 oppervlakken.

De meest geprefereerde uitvoeringsvorm van het projektielenzenstelsel vertoont als kenmerk, dat het eerste lenselement voorzien is van een derde oppervlak dat reflekterend is en in de stralingsweg tussen het eerste en tweede brekende lensoppervlak is 35 gelegen.

Dit eerste lenselement kan aangeduid worden als een opgevouwen (folded) lenselement. De optische weglengte in dit 8602975 4 * PHN 11.958 6 lenselement is gelijk aan die in een tweemaal zo dik lenselement, echter de benodigde hoeveelheid optisch hoogwaardig lensmateriaal en derhalve ook het gewicht zijn slechts de helft van die van het overeenkomstige dikke lenselement. Bovendien wordt door het reflekterende oppervlak de 5 richting van de afbeeldende bundel zodanig veranderd dat de stralingsweg van deze bundel, met behoud van de totale optische weglengte, optimaal gevouwen kan worden, zodat het projektiesysteem in een kast met relatief klein volume ondergebracht kan worden.

Opgemerkt wordt dat in het Amerikaanse octrooischrift 10 nr. 4.526.442 een projektielenzenstelsel met een reflekterend oppervlak beschreven is. In het bekende stelsel is echter de reflektor tussen het eerste en tweede lenselement aangebracht en maakt deze reflektor geen deel uit van het eerste lenselement. Het bekende projektielenzenstelsel heeft bovendien een relatief grote brandpuntsafstand.

15 Een optimaal gebruik van de uitvindingsgedachte wordt gemaakt in een beeldprojektiesysteem dat als verder kenmerk vertoont, dat het beeldvenster van de weergeefbuis gezien vanaf de beeldzijde konkaaf is met een krommingshoek ¢, waarin φ de hoek is tussen de normaal in het centrum van het beeldvenster en een lijn loodrecht op de 20 rand van het beeldvenster en welke hoek φ een waarde heeft die gelegen is in het gebied van 5° tot 25°. Door toepassing op zich van een konkaaf beeldvenster kan het ontwerp van het projektielenzenstelsel worden vereenvoudigd. Door het konkaaf zijn van het beeldvenster wordt een betere bundeling van de weergeefbuisstraling in de richting van de 25 intreepupil van het projektielenzenstelsel en daardoor een betere lichtverdeling over het projektiescherm verkregen. Door kombinatie van een konkaaf beeldvenster en een interferentiefilter in de weergeefbuis wordt een verbetering van het geprojekteerde beeld verkregen die groter is dan de som van de verbeteringen verkregen door het afzonderlijke 30 gebruik van respektievelijk het konkave beeldvenster en het interferentiefilter.

Het konkave beeldvenster behoeft niet sferisch te zijn maar kan ook een daarvan afwijkende vorm, bijvoorbeeld een asferische vorm hebben.

35 Opgemerkt wordt dat het uit de Britse octrooiaanvrage nr. 2.091.898 op zichzelf bekend is om een konkaaf beeldvenster toe te passen teneinde het ontwerp van het projektielenzenstelsel te kunnen 8602975 PHN 11.958 7 vereenvoudigen. In deze octrooiaanvrage wordt echter niet geopenbaard dat door kombinatie van een konkaaf beeldvenster en een interferentiefilter tussen dit beeldvenster en het luminescerende materiaal de lichtopbrengst, met name in de hoek van het beeldvenster, 5 aanzienlijk kan worden verhoogd.

De uitvinding kan worden toegepast in een projektiesysteem met één weergeefbuis voor het vormen van bijvoorbeeld een zwart-groen beeld op het projektiescherm.

Het grootste voordeel van de uitvindingsgedachte kan 10 behaald worden bij haar toepassing in een kleurenbeeldprojektie- inrichting. Een eerste uitvoeringsvorm van een dergelijke inrichting, die drie afzonderlijke kleurkanalen bevat die samenkomen op een gemeenschappelijk projektiescherm en die elk voorzien zijn van een weergeefbuis en een projektielenzenstelsel vertoont als kenmerk, dat 15 minstens één van de kleurkanalen is voorzien van een beeldprojektiestelsel zoals hierboven is beschreven.

De door toepassing van de uitvinding behaalde winst is het grootst in het groene kanaal, zodat minstens dit kanaal voorzien is van het projektielenzenstelsel volgens de uitvinding. Dit 20 projektielenzenstelsel kan echter ook aangebracht worden in het rode kanaal en eventueel in het blauwe kanaal.

De uitvinding zal nu worden toegelicht aan de hand van de tekening. Daarin tonen: figuur 1, schematisch en in perspektief, een 25 uitvoeringsvorm van een kleurenbeeldprojektie-inrichting voorzien van drie beeldprojektiestelsels volgens de uitvinding, figuur 2 een aanzicht van een gedeeltelijk opengewerkte weergeefbuis voor beeldprojektie, figuren 3 en 4 een gedeeltelijke doorsnede van een 30 weergeefbuis met een recht, respektievelijk gekromd, beeldvenster en een interferentiefilter, figuur 5, schematisch, de samenstelling van het interferentiefilter, figuur 6 verschillende spektra van een door een 35 weergeefbuis met groene fosfor uitgezonden straling, figuur 7 de grondvorm van het eerste lenselement van het projektielenzenstelsel volgens de uitvinding, 8602975 PHN 11.958 8 figuur 8 een eerste uitvoeringsvorm van het projektielenzenstelsel volgens de uitvinding, figuur 9 een tweede uitvoeringsvorm van dit projektielenzenstelsel, 5 figuur 10 de voorkeursuitvoeringsvorm van dit stelsel, figuur 11 de grootte van de acceptatiehoek als funktie van de brandpuntsafstand van het projektielenzenstelsel in projektiesystemen met respektievelijk een konventioneel en het nieuwe projektielenzenstelsel, 10 de figuren 12 en 13 het verschil in helderheidsverloop over het projektiescherm bij toepassing van een konventioneel, respektievelijk het nieuwe projektielenzenstelsel voor twee verschillende brandpuntsafstanden.

De kleurentelevisieprojektie-inrichting van figuur 1 15 bevat een kleurentelevisieontvanger 1. Een ingang van deze ontvanger die gekoppeld is aan bijvoorbeeld een antenne 2 ontvangt een kleurentelevisiesignaal dat opgedeeld wordt in een rood, groen en blauw signaal. Deze signalen worden toegevoerd aan drie afzonderlijke weergeefbuizen 3, 4 en 5 op de beeldvensters waarvan een rood, groen en 20 blauw beeld verschijnen. Döor de bij de afzonderlijke buizen behorende en schematisch weergegeven projektielenzenstelsels 6, 7 en 8 worden deze beelden geprojekteerd op een projektiescherm 10. Duidelijkheidshalve zijn slechts de hoofdstralen van bundels die een punt van een beeldvenster op een punt van het projektiescherm afbeelden aangegeven.

25 De door elke weergeefbuis uitgezonden en door het bijbehorende projektielenzenstelsel treden straling bestrijkt het gehele projektiescherm 10. Tussen de projektielenzenstelsels en het projektiescherm is een spiegel 9 aangebracht die de uit de projektielenzenstelsels tredende bundels naar het projektiescherm 30 reflekteert. Deze spiegel vouwt de stralingsweg op waardoor het projektiesysteem ondergebracht kan worden in een kast met relatief geringe diepte, zonder de stralingsweg behoeven in te korten.

De drie enkelkleurige beelden moeten op het projektiescherm gesuperponeerd worden. Daartoe zijn de op één lijn 35 gelegen weergeefbuizen iets naar elkaar toegeneigd, dat wil zeggen dat de normalen op de schermen van de buizen 3 en 5 een kleine hoek maken met de normaal op het scherm van de buis 4.

8602575 PHN 11.958 9

In het projektiescherm 11 wordt de straling van de drie bundels verstrooid over een relatief grote hoek in de Y-richting, dat wil zeggen in de horizontale richting voor de waarnemer W, terwijl in de Z-richting, de vertikale richting voor de waarnemer W, de straling over 5 een kleinere hoek verstrooid wordt. De waarnemer W ziet een beeld dat de superpositie is van de vergrootte beelden van de weergeefbuizen.

In figuur 2 is een van de weergeefbuizen, 4, in perspektief weergegeven, waarbij een gedeelte van de glazen omhulling 20 is weggebroken. De glazen omhulling vormt aan de voorzijde een 10 beeldvenster 21 en bestaat verder uit een konus 22 en een nekgedeelte 23. Op de binnenkant van het beeldvenster is een luminescerend scherm, niet weergegeven in figuur 2, aangebracht en in de nek van de buis bevindt zich een elektronenkanon 24. Een stelsel 25 van deflektiespoelen rond de nek van de buis zorgt er voor dat de elektronenbundel het 15 luminescerend scherm aftast in twee onderling loodrechte richtingen Y en Z. De elektrische verbindingen naar de ontvanger worden tot stand gebracht met behulp van de pinnen 27 in de kap 26.

In de figuren 3 en 4 zijn doorsneden van een vlak beeldvenster 21 en beeldscherm 27, respektievelijk van een konkaaf 20 beeldscherm 2Γ en beeldscherm 27' getoond. De inzetten in deze figuren tonen het beeldvenster 21, respektievelijk 2Γ, het multilaags interferentiefilter 28, respektievelijk 28' en het beeldscherm 27, respektievelijk 27'. Het beeldscherm bestaat uit een laag luminescerend materiaal, een fosfor, 29, respektievelijk 29' en een dunne aluminium 25 film 30, respektievelijk 30', de zogenaamde "aluminium-backing".

Het gekromde beeldvenster van figuur 4 heeft een krommingshoek φ en is bij voorkeur sferisch met een kromtestraal p. Het beeldvenster kan ook bijvoorbeeld asferisch zijn.

Het interferentiefilter is in figuur 5 schematisch 30 weergegeven. Dit filter bestaat uit een groot aantal, bijvoorbeeld twintig lagen met afwisselend hoge (H) en lage (L) brekingsindices. Deze lagen zijn gemiddeld ongeveer 0,25 dik, waarbij = ρ.λ met λ de gewenste centrale golflengte die geselekteerd wordt uit het door het luminescerend materiaal uitgezonden spektrum, en waarbij p gelegen is 35 tussen 1,18 en 1,32. De lagen L bestaan bijvoorbeeld uit Si02 met een brekingsindex n = 1,47 of uit MgF2 met een brekingsindex n = 1,38. De lagen H kunnen bestaan uit Ti02 met n = 2,35, Ta205 met n = 2,00 8602975 PHN 11.958 10 of uit 1^05 met n = 2,15. De laatste laag 32 aan de zijde van het beeldscherm 27 is afgesloten met een bijvoorbeeld 0,125 dikke afscheidingslaag 31 met lage brekingsindex.

Voor verdere bijzonderheden van het interferentiefilter 5 en uitvoeringsvormen daarvan wordt verwezen naar de Europese octrooiaanvrage nr. 0.170.320 ten name van aanvraagster. Zoals in deze Europese octrooiaanvrage beschreven is, heeft het aanbrengen van het interferentiefilter als voordelen dat - de hoeveelheid licht die door de weergeefbuis uitgestraald wordt 10 binnen een bepaalde ruimtehoek, die bijvoorbeeld 25° kan zijn, maar ook 40°, bijvoorbeeld 40¾ tot 50% groter kan zijn dan in het geval van een weergeefbuis zonder een dergelijk filter, en dat - de intensiteit van de gewenste golflengte verhoogd wordt ten koste van die van de ongewenste golflengtes, zodat de door de buis uitgezonden 15 bundel beter monochromatisch wordt.

Voor een projektiestelsel als geheel hebben deze voordelen tot gevolg: - een grotere helderheid op het projektiescherm, - een verbetering van de kleur in het beeld op het projektiescherm, in 20 het geval van een kleurenbeeldprojektor vooral merkbaar in de groene kleur, - minder chromatische aberratie in het projektielenzenstelsel, vooral merkbaar in het groene en blauwe kanaal in het geval van kleurenbeeldprojektie, en 25 - een beter kontrast in het beeld op het projektiescherm.

Ter illustratie zijn in figuur 6, bij wijze van voorbeeld, de door de groene weergeefbuis onder verschillende omstandigheden uitgezonden spektra weergegeven. Het luminescerend materiaal van deze buis is een fosfor van de samenstelling YAg:Tb. De 30 kromme 6A geeft het spektrum dat uitgezonden wordt indien geen interferentiefilter in de weergeefbuis aanwezig is. De krommen 6B tot en met 6E geven de spektra die, bij aanwezigheid van een interferentiefilter, worden uitgezonden in de richtingen die hoeken van respektievelijk 0°, 15°, 30° en 45° maken met de normaal op het 35 beeldvenster. Een vergelijking van de krommen 6A en 6B leert dat door het interferentiefilter de helderheid van het gewenste spektrale gebied in de richting loodrecht op het beeldvenster verhoogd wordt, terwijl de 8602975 PHN 11.958 11 helderheid van de spektrale lijn bij 545 nm vergroot wordt in vergelijking wet de andere, blauwe, spektrale lijn, met golflengtes kleiner dan 500 nm. Deze voordelen blijven behouden voor richtingen die hoeken tot maximaal 30 a 35° met de normaal op het beeldvenster 5 maken, zoals de figuren 6c en 6d tonen. Voor de blauwe en de rode weergeefbuizen gelden analoge krommen als die van de figuur 6 met uiteraard andere spektrale lijnen. Voor richtingen onder hoeken met de normaal groter dan 30° a 35° neemt, in figuur 6, de helderheid van de groene spektraallijn af terwijl die van de blauwe spektraallijn 10 ongeveer gelijk blijft, zoals in figuur 6 getoond wordt door de kromme 6E die geldt voor een richting onder 45° met de normaal op het beeldvenster.

Om te voorkomen dat door de relatief grotere bijdrage van de blauwe spektrale lijn ten opzichte van de groene spektraallijn, 15 kleurzweem over het projektiescherm optreedt en dat, vanaf het midden van het projektiescherm naar de rand daarvan, de helderheid fors vermindert ten gevolge van de afname van de helderheid van de groene spektraallijn, wordt volgens de uitvinding er voor gezorgd dat licht dat onder hoeken groter dan 30° a 35° met de normaal op het 20 beeldvenster wordt uitgezonden niet door het projektielenzenstelsel ingevangen wordt. Er wordt een projektielenzenstelsel verschaft dat aan de voorwerpszijde een kleine veldhoek heeft terwijl de brandpuntsafstand eveneens klein is.

In figuur 7 is het principe van het eerste lenselement 25 L.|' van het pro jektielenzenstelsel weergegeven, welk element het resultaat is van een nieuw gedachtenkoncept bij het ontwerpen van projektielenzenstelsels. Volgens dit nieuwe koncept wordt uitgegaan van een dikke plan-konvex lenselement L|' waarbij het kromtemiddelpunt M van het konvexe lensoppervlak S3' op het platte oppervlak S^' is 30 gelegen. Hoewel in het projektiesysteem de stralen van rechts naar links verlopen, is in figuur 7 de stralengang van links naar rechts getekend. Deze omkering is toegestaan in dit soort optische stelsels en wordt hier gebruikt omdat daardoor het inzicht in de werking van het stelsel wordt vereenvoudigd. De in figuur 7 weergegeven bundel b^ is een 35 denkbeeldige bundel die afkomstig is van het centrum van het projektiescherm. Vanwege de relatief grote afstand tussen het lenselemcnt en het projektiescherm is de bundel b^ slechts licht 8602975 PHN 11.958 12 divergerend. Deze bundel, waarvan de hoofdstraal samenvalt met de optische as 00' van het lenselement L^', wordt gekonvergeerd in het punt Fi op de optische as. Met b2 is een, eveneens denkbeeldige, licht divergerende bundel aangeduid die afkomstig is van de rand van het 5 projektiescherm en met nog aanvaardbare vignettering door het lenselement L^' gaat. De hoofdstraal van deze bundel snijdt de optische as in het punt M. Voor dit lenselement is de pupil PP', de intreepupil gezien vanaf het projektiescherm en de uittreepupil gezien vanaf de beeldbron, derhalve gelegen ter plaatse van het eerste brekende 10 oppervlak S.,' van het lenselement L.j'. De hoofdstraal van de bundel b2 valt loodrecht in op het konvexe oppervlak S3' en passeert dit oppervlak zonder breking. De randstralen van de bundel b2 worden door het oppervlak S3' gebroken naar de hoofdstraal toe, zodanig dat de bundel b2 wordt gefokusseerd in het punt F2.

15 Door gebruik van een lenselement L^' volgens figuur 7 in een projektiesysteem wordt bereikt dat de veldhoek waaronder de rand van het projektiescherm door de, zich tussen de beeldbron en het lenselement bevindende, elementen van het projektielenzenstelsel wordt waargenomen gereduceerd wordt. De veldhoek is de hoek a waaronder de 20 hoofdstraal van de op het oppervlak S^' invallende bundel b2 de optische as snijdt. Na breking door dit oppervlak maakt deze hoofdstraal een hoek β met de optische as. De veldhoekreduktie wordt gegeven door jlUü e ±L sina n0 25 z waarin n2 de brekingsindex van het lensmateriaal is en n^ die van het omringende medium. Indien het lenselement zich in lucht bevindt waarvoor n ^ = 1, wordt de veldhoek gereduceerd met ongeveer een faktor 30 gelijk aan

Bij deze gereduceerde veldhoek en de door het lenselement Li' tot stand gebrachte konvergentie van de bundels kan de verdere afbeelding tot stand gebracht worden met slechts enkele eenvoudige additionele lenselementen. In bepaalde toepassingen zou volstaan kunnen 35 worden met slechts een konkaaf lenselement L3, zoals aangegeven in figuur 8. Dit lenselement is de veldkrommingskorrektielens of "Field Flattener". Het konkave oppervlak van het lenselement L3 is in figuur 8602975 PHN 11.958 13 8 aangeduid met Sg. De kromming van het tweede oppervlak S? van het lenselement L3 is aangepast aan die van het beeldvenster FP van de verder niet weergegeven beeldbuis. In de in figuur 8 getoonde uitvoeringsvorm is dit beeldvenster, en dus ook het oppervlak S? 5 konkaaf, gezien vanaf de beeldzijde.

Tussen het beeldvenster FP en het oppervlak S-j van het lenselement L3 kan zich een plaatvormige houder CP bevinden. Door deze houder stroomt een koelvloeistof bestaande uit bijvoorbeeld water en glycol. Een dergelijke koeling is gewenst in verband met het feit dat de 10 weergeefbuis een grote helderheid moet hebben, zodat, zonder koeling, de temperatuur van het luminescerend materiaal dat in het beeldscherm achter het beeldvenster is aangebracht fors zou kunnen stijgen, waardoor de helderheid van de buis zou kunnen afnemen.

De lens L1' kan een tussenafbeelding, die in figuur 7 15 schematisch door de punten en F2 is aangegeven, vormen die vrijwel geen koma en astigmatisme vertoont, echter wel nog behept is met sferische aberratie. Deze aberratie kan gereduceerd worden door het eerste oppervlak van het lenselement L-j' als asferisch oppervlak uit te voeren. Om een verdere reduktie van aberraties te bewerkstelligen 20 kan ook het tweede oppervlak 83“ van het lenselement L·^' asferisch zijn. Aangezien ook het konkave oppervlak Sg van het lenselement L3 asferisch is, bevat het projektielenzenstelsel volgens figuur 8 in totaal drie asferische oppervlakken. Dit stelsel kan een brandpuntsafstand van 78 mm en een numerieke apertuur, aan de 25 voorwerpszijde, van 0,30 tot 0,35 hebben.

Een aanzienlijke verhoging van de numerieke apertuur en vermindering van aberraties bij gelijkblijvende brandpuntsafstand kan verkregen worden door toevoeging van een derde, bikonvex lenselement.

Een dergelijk projektielenzenstelsel, dat niet alleen uitermate geschikt 30 is voor het projekteren van hedendaagse televisiebeelden maar ook voor het projekteren van toekomstige hoge-definitie televisiebeelden, is in figuur 9 weergegeven. De optische sterkte van het projektielenzenstelsel is nu verdeeld over het eerste dikke lenselement L^' en het tweede lenselement I^. Bij voorkeur hebben deze lenselementen ongeveer 35 gelijke optische sterkten. Daartoe is het lenselement ' iets aangepast, de grondvorm van deze lens is echter behouden gebleven. De pupil PP' van het stelselis iets naar de voorwerpszijde toe verplaatst 8 G 0 2 9 7 5 PHN 11.958 14 maar bevindt zich nog steeds vrij dicht bij het eerste brekende oppervlak zodat de veldhoekreduktie vergelijkbaar is met die welke optreedt in het stelsel volgens de figuren 7 en 8. Indien de oppervlakken S^, en Sg asferische oppervlakken zijn kan een 5 numerieke apertuur van ruim 0,40 bij een brandpuntsafstand van 78 mm gerealiseerd worden.

Het lenselement ' in de figuren 7 en 8 is een dik lenselement uit glas en dus relatief duur en zwaar. Zoals al aangegeven is in figuur 9 wordt het projektielenzenstelsel zó ontworpen dat dit 10 lenselement nog iets dikker wordt zodanig dat een denkbeeldig diagonaalvlak d door het lenselement aangebracht kan worden. Door nu het lensmateriaal onder dit vlak weg te laten, dit vlak reflekterend te maken en het oppervlak op de bovenkant van het lenselement aan te brengen, wordt een opgevouwen lenselement (L^ in figuur 10) verkregen 15 dat hetzelfde gedrag vertoont als het lenselement volgens figuur 9. Het opgevouwen lenselement L-| heeft ten opzichte van het lenselement ' in figuur 9 het voordeel dat de benodigde hoeveelheid optisch hoogwaardig lensmateriaal tot de helft is teruggebracht, zodat het opgevouwen lenselement aanzienlijk lichter en goedkoper is.

20 Bovendien reflekteert het vlak S2 de projektiebundel in een richting die optimaal is voor het verder opvouwen van de stralingsweg in het projektiesysteem.

Het vlak S2 van het lenselement L·^ kan reflekterend worden gemaakt door een zilverlaag aan te brengen, bijvoorbeeld door 25 opdampen.

Ook in het projektielenzenstelsel volgens figuur 8 met slechts twee lenselementen, kan het eerste lenselement vervangen worden door een opgevouwen lenselement. Dit projektielenzenstelsel bevat bij voorkeur drie asferische oppervlakken S^', S3' en Sg.

30 In de uitvoeringsvorm volgens figuur 10 kunnen de oppervlakken S^, en Sg asferisch zijn.

Het optische gedrag van de lenselementen L·^ en I^, die de optische sterkte en de brandpuntsafstand van het projektielenzenstelsel bepalen, moet onafhankelijk zijn van variaties in 35 de temperatuur of vochtigheid van het omringende medium. Anderzijds moeten deze lenselementen asferische oppervlakken hebben die moeilijk in glas te realiseren zijn. Bij voorkeur bestaan daarom deze lenselementen 8602975 PHN 11.958 15 uit glazen substraten L-^g, respektievelijk 1*2 s, waarop aan de asferische zijde een dunne laag doorzichtige kunststof Li a, \ | α respektievelijk L2 a, met een asferisch buitenprofiel S1 respektievelijk S4 is aangebracht. a, respektievelijk a zijn 5 de binnenoppervlakken van de dunne lagen L1 _, respektievelijk * t «

Ii2ja· Aangezien de lagen slechts dun zijn heeft een verandering van de brekingsindex of van de vorm van deze lagen, ten gevolge van variaties in de omgevingsparameters, slechts een gering effekt op het gedrag van de lenselementen als geheel.

10 Het projektielenzenstelsel volgens figuur 10 kan in plaats van drie ook vier asferische oppervlakken hebben, namelijk de oppervlakken S^, Sg, Sg en Sg. Dan kan een glas met lagere brekingsindex voor de lenselementen L·^ en L2 gebruikt worden.

De asferische lagen kunnen op de lenssubstraten 15 aangebracht worden met behulp van een zogenaamd replika-proces. Daarbij wordt gebruik gemaakt van matrijzen met binnenprofielen die het omgekeerde zijn van de gewenste buitenprofielen van de te vormen lagen. Op een lenssubstraat wordt dan een, in voldoend weke toestand gebrachte, doorzichtige kunststof, bijvoorbeeld een met ultraviolette straling 20 polymeriseerbare kunststof, aangebracht waarna een matrijs er in gedrukt wordt. Vervolgens wordt de kunststof gehard, bijvoorbeeld door bestraling met ultraviolet licht, en wordt de matrijs verwijderd waarbij de lens beschikbaar komt zonder dat er verdere bewerkingen nodig zijn.

Het korrigerende lenselement Lg kan geheel uit 25 kunststof, bijvoorbeeld polymethylmethacrylaat (PMMA) of uit polycarbonaat (PC) bestaan. Het asferisch profiel op het oppervlak Sg kan al tijdens het persen van het lenselement aangebracht worden door gebruik te maken van een matrijs met een asferisch profiel. Het is ook mogelijk het asferische profiel na het vormen van het lenselement Lg 30 aan te brengen met behulp van het replika-proces.

De asferische oppervlakken, bijvoorbeeld S^, en Sg in figuur 10, kunnen worden gekarakteriseerd door 35 * = ΣΖ »21^ i=i 8602975 PHN 11.958 16 waarin Y de afstand van een punt op het asferische oppervlak tot de optische as van het lenselement is en Z de afstand tussen de projektie van dit punt op de optische as en het snijpunt van de optische as met het asferische oppervlak.

5 Voor een uitvoeringsvorm van het projektielenzenstelsel volgens figuur 10, waarin het lenselement L4 bestaat uit glas met het typenummer SF2 van de firma Schott en de lenselementen L2 en L3 uit polycarbonaat en waarvan de brandpuntsafstand 78 mm is en de numerieke apertuur 0,425 gelden, gerekend vanaf de beeldzijde, de 10 volgende waarden voor de axiale oppervlakte krommingen C, de axiale afstanden di tussen deze oppervlakken en de brekingsindices n C (mm"b di (mm) n 15 S1 0,005679 L1 84,00 1,654 53 -0,009203 0,100 54 0,007552 20 L2 16,00 1,573 55 -0,003645 45,48 56 -0,015772 L3 5,00 1,573 25 S? -0,028571 terwijl de asferische koëfficiënten a2^ van de oppervlakken S^, S4 en Sg gelijk zijn aan 30 S1 a2 = 0,283935 x 10-2 a4 = -0,390136 x 10"6 a6 = -0,750233 x 10-9 a8 = 0,839881 x 10“12 a10 - -0,564121 x 10~15 35 a12 = 0,142924 x 10-18 S4 a2 - 0,377615 x 10‘2 8602975 PHN 11.958 17 a4 = 0,301339 x 10"6 a6 = 0,243433 x 10-9 ag = -0,190848 x 10"12 a1Q = 0,873343 x 10~16 5 a12 = -0,138625 x 10~19 S6 a2 = -0,788596 x 10“2 a4 = -0,486486 x 10'5 ag = 0,201054 x 10"8 10 a8 = -0,821263 x 10-12 a1Q = 0,192444 x 10"15 a12 = “0,140404 x 10-19

Voor een uitoveringsvorm van het projektielenzenstelsel 15 volgens figuur 10, waarin het lenselement L·^ bestaat uit glas met het typenummer SFH64 en de lenselementen L2 en L-j uit polycarbonaat en waarvan de brandpuntsafstand 90 mm is, gelden de volgende waarden C (mm-1) di (mm) n 20 s1 0,003714 102,00 1,712 S3 -0,007749 0,50 25 S4 0,006226 19,00 1,573 55 -0,003162 57,35 56 -0,011750 30 5,00 1,573 57 -0,002857 terwijl de asferische koêfficiënten a2^ van de oppervlakken S^, S4 en Sg gelijk zijn aan 35 S.| a2 = 0,185676 x 10~2 a4 = -0,249319 x 10-6 8602975 PHN 11.958 18 a6 = -0,274689 x 10"9 a8 = 0,181459 x 10~12 a10 = -0,761700 x 10“16 a12 = 0,123104 x 10"19 5 S4 a2 = 0,311297 x 10“1 a4 = 0,187661 x 10"6 a6 = 0,297361 x 10~10 a8 = -0,811958 x 10“14 10 a10 = 0,241555 x 10~17 a12 = -0,232393 x 10~2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 S6 a2 = -0,587496 x 10~2 a4 = -0,336531 x 10~5 15 a6 = 0,156573 x 10“8 ag = -0,690708 x 10"12 a1Q = 0,203958 x 10~15 a12 = -0,266676 x 10~19 8602975

Dankzij het nieuwe ontwerp van dit projektielenzenstelsel 2 kan in een projektiesysteem de afstand tussen het beeldvenster en de 3 intreepupil van dit stelsel met bijvoorbeeld een faktor 1,25 vergroot 4 worden in vergelijking met een konventioneel projektielenzenstelsel.

5

Deze afstandsvergroting resulteert in een vermindering van de hoeken 6 waaronder de hoofdstralen van de bundels die afkomstig zijn van de 7 weergeefbuis en door het projektielenzenstelsel worden geaccepteerd, 8 worden doorgelaten. Ter vergelijking zijn in de onderstaande tabel de 9 acceptatiehoeken aacc voor verschillende relatieve posities Ppp op 10 het beeldvenster gegeven voor een konventioneel projektielenzenstelsel 11 PLj volgens de uitvinding voor een brandpuntsafstand van zowel 78 mm als 90 mm.

PHN 11.958 19 f = 78 mm f = 90 mm ^FP aacc~PLC aacc’p^I aacc^LC aacc""^LI 5 O 0,0 0,0 0,0 0,0 0,25 10,7 10,2 8,8 6,7 0,50 20,5 20,3 17,1 13,8 0,75 29,2 27,9 24,9 20,2 1,00 37,6 31,2 32,8 24,0 10

Deze waarden gelden voor een beeldvenster met een kromtestraal p = 350 mm.

De acceptatiehoek op een bepaalde positie van het beeldvenster is de hoek tussen de normaal, in de betreffende positie, cp 15 het beeldvenster en de hoofdstraal van een uit deze positie vertrekkende bundel die het projektielenzenstelsel passeert.

Het effekt van het verbeterde projektielenzenstelsel is het grootst in de hoeken van het beeldvenster waarvoor de relatieve positie Ppp = 1,00, voor welke positie ook de veldhoek gedefinieerd 20 is. De acceptatiehoekreduktie in de hoek van het beeldvenster bedraagt dus 6,4°, respektievelijk 8,8° voor een projektielenzenstelsel met een brandpuntsafstand van 78 mm, respektievelijk 90 mm.

In figuur 11 is uitgezet de acceptatiehoek aacc M in de hoek van het beeldvenster als funktie van de brandpuntsafstand f van een 25 konventioneel projektielenzenstelsel voor zowel een weergc-efbuis met een vlak beeldvenster, de getrokken kromme 30, als een weergeefbuis met een konkaaf beeldvenster met een kromtestraal rc = 350 mm, de gestreepte kromme 31. In deze figuur zijn tevens, met de punten 32 en 33, de maximale acceptatiehoeken aacc M voor de golflengtes 78 mm en 90 mm, 30 in een projektiesysteem met een weergeefbuis met een konkaaf beeldvenster met rc = 350 mm en een projektielenzenstelsel volgens de uitvinding aangeven.

Met behulp van de figuren 12 en 13 is aangegeven welk effekt de redukte van de acceptatiehoek heeft op de winst in helderheid 35 Gjj die verkregen wordt bij toepassing van een interferentiefilter (met p = 1,26) in de weergeefbuis. In deze figuren is in horizontale richting de relatieve positie ρρς op het projektiescherm uitgezet. De getrokken 8602975 PHN 11.958 20 krommen 34 en 36 gelden indien een konventioneel projektielenzenstelsel wordt gebruikt, en de gestreepte krommen 35 en 37 bij gebruik van een projektielenzenstelsel volgens de uitvinding. Zoals aangegeven heeft figuur 12 betrekking op een projektielenzenstelsel met een 5 brandpuntsafstand f = 90 mm en figuur 13 op een stelsel met f = 78 mm.

De transmissie van het interferentiefilter voor de geselekteerde centrale golflengte λ bedraagt 50% voor een richting onder 37° met de normaal op het beeldvenster.

Bij gebruik van een konventioneel projektielenzenstelsel 10 met f = 90 mm bedraagt de helderheidswinst in het centrum 1,7 en neemt deze af tot 1,0 in de hoek van het projektiescherm. Deze afname van de helderheid gaat gepaard met een kleurzweem die niet in figuur 12 aangegeven kan worden. Bij gebruik van een projektielenzenstelsel volgens de uitvinding met een opgevouwen eerste lenselement is de afname 15 van de helderheidswinst aanzienlijk minder: van 1,7 in het centrum tot 1,5 in de hoek van het projektiescherm. Indien een konventioneel projektielenzenstelsel met f = 78 mm wordt gebruikt is de helderheidswinst 1,7 in het centrum en 0,7 in de hoek van het projektiescherm, zoals figuur 13 toont. Bij gebruik van een 20 projektielenzenstelsel volgens de uitvinding met een opgevouwen eerste lenselement worden aanzienlijk betere resultaten bereikt: de helderheid aan de rand van het projektiescherm is dan nog 1,15 terwijl de kleurzweem aanzienlijk verminderd is.

Hoewel in de figuren 8, 9 en 10 beeldprojektiestelsels 25 weergegeven zijn met weergeefbuizen die een konkaaf beeldvenster hebben, is de uitvinding daartoe niet beperkt. Ook in projektiestelsels waarin de weergeefbuizen bijvoorbeeld een vlak beeldvenster hebben kan door kombinatie van het speciale projektielenzenstelsel en het interferentiefilter in de buis de helderheid op het projektiescherm 30 verhoogd en de kleurzweem verminderd worden bij een relatief korte brandpuntsafstand van het projektielenzenstelsel.

Behalve in een kleurenbeeldprojektiesysteem kan de uitvinding ook toegepast worden in een enkelkleur-projektielenzensysteem om de helderheidsverdeling op het projektiescherm te verbeteren, de 35 winst in helderheid te verhogen, een beter kontrast te bewerkstelligen en chromatische aberraties te verminderen.

8602975

Claims (10)

1. Beeldprojektiestelsel bevattende minstens één weergeefbuis en een multi-element projektielenzenstelsel voor het afbeelden van een beeld van de weergeefbuis op een projektiescherm, welke weergeefbuis een beeldscherm in een geëvakueerde omhulling bevat 5 waarbij het beeldscherm op de binnenzijde van een beeldvenster in de wand van de omhulling is aangebracht en voorzien is van een luminescerend materiaal, en tussen dit materiaal en het beeldvenster een multilaags interferentiefilter is aangebracht, met het kenmerk, dat een eerste lenselement van het projektielenzenstelsel, gezien vanaf de 10 beeldzijde, wordt gevormd door een positief lenselement met een eerste, naar de beeldzijde gericht, brekend asferisch oppervlak en een tweede, naar de voorwerpszijde gericht brekend oppervlak dat konvex is en waarvan het kromtemiddelpunt in de beeldzijdehelft van dit lenselement is gelegen, dat het projektielenzenstelsel minstens een tweede 15 lenselement bevat dat een negatieve sterkte heeft en waarvan het naar de beeldzijde gerichte oppervlak konkaaf is en het naar de weergeefbuis gerichte oppervlak een kromming heeft die aangepast is aan die van het beeldvenster, en dat de intreepupil van het projektielenzenstelsel gelegen is in de beeldzijdehelft van het eerste lenselement.

2. Beeldprojektiestelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het asferische oppervlak van het eerste lenselement, gezien vanaf de beeldzijde, in een gebied rondom de optische konvex is en daarbuiten konkaaf.

3. Beeldprojektiestelsel volgens conclusie 2, met het 25 kenmerk, dat het tweede brekende oppervlak van het eerste lenselement asferisch is.

4. Beeldprojektiestelsel volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat tussen het eerste en tweede lenselement een derde, bikonvex, lenselement is aangebracht dat een gedeelte van de totale 30 optische sterkte van het projektielenzenstelsel levert.

5. Beeldprojektiestelsel volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de optische sterkte van het derde lenselement ongeveer gelijk is aan die van het eerste lenselement.

6. Beeldprojektiestelsel volgens conclusie 4 of 5, met het 35 kenmerk, dat het naar de beeldzijde gerichte oppervlak van het derde lenselement asferisch is.

7. Beeldprojektiestelsel volgens conclusie 4 of 5, met het 8602975 PHN 11.958 22 kenmerk, dat de naar de voorwerpszijde gerichte oppervlakken van het eerste en derde lenselement asferisch zijn.

8. Beeldprojektiestelsel volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het eerste lenselement is voorzien van 5 een derde oppervlak dat reflekterend is en dat in de stralingsweg tussen het eerste en het tweede brekende lensoppervlak is gelegen.

9. Beeldprojektiestelsel volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het beeldvenster van de weergeefbuis gezien vanaf de beeldzijde konkaaf is met een krommingshoek φ waarin φ 10 de hoek is tussen de normaal in het centrum van het beeldvenster en een lijn loodrecht op de rand van het beeldvenster en welke hoek φ een waarde heeft die gelegen is in het gebied van 5° tot 25°.

10. Kleurenbeeldprojektie-inrichting bevattende drie afzonderlijke kleurkanalen die samenkomen op een gemeenschappelijk 15 projektiescherm, en die elk voorzien zijn van een weergeefbuis en een projektielenzenstelsel, met het kenmerk, dat minstens één van de kleurkanalen is voorzien van een beeldprojektiestelsel volgens één der voorgaande conclusies. 8602975