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Dokumentenidentifikation DE3644354C2 17.06.1993
Titel Optisches Projektionssystem
Anmelder Canon K.K., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Araki, Keisuke, Tokio/Tokyo, JP
Vertreter Tiedtke, H., Dipl.-Ing.; Bühling, G., Dipl.-Chem.; Kinne, R., Dipl.-Ing.; Pellmann, H., Dipl.-Ing.; Grams, K., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 24.12.1986
DE-Aktenzeichen 3644354
Offenlegungstag 09.07.1987
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 17.06.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.06.1993
IPC-Hauptklasse G02B 13/24
IPC-Nebenklasse G02B 27/18   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Projektionssystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein optisches Projektionssystem dieser Art ist in der US 41 68 900 beschrieben. Bei diesem bekannten Projektionssystem ist zum Projizieren einer Gegenstandsebene in eine Bildebene ein zusammengesetztes Raster-Linsensystem, das mehrere einzelne Abbildungssysteme aufweist, vorgesehen. Ausgehend von einem Abbildungsystem im Zentrum des Linsensystems nimmt der Neigungswinkel der optischen Achsen der Abbildungssysteme bezüglich der Senkrechten auf der Bild- bzw. der Objektebene mit dem Abstand von dem zentralen Abbildungssystem zu. Hierdurch entstehen Abbildungsfehler. Zur Kompensation dieser Abbildungsfehler sind asphärische optische Elemente vorgesehen. Wird ein Abbildungsmaßstab ungleich 1 : 1 verwendet, so können trotz derartiger Vorkehrungen zur Kompensation der Abbildungsfehler örtliche Verzerrungen und damit verbundene Leuchtdichteschwankungen in der Abbildung auf der Bildebene auftreten.

Auch die DE 26 37 514 zeigt ein optisches Projektionssystem, bei dem eine Objektlinse aus mehreren nebeneinanderliegenden einzelnen Abbildungssystemen zusammengesetzt ist. Auch hierbei können die genannten Probleme auftreten.

Die bei der Abbildung auftretenden Schwierigkeiten werden anhand der Fig. 1 bis 3 sowie 4A und 4B erläutert.

Die Fig. 1 bis 3 sowie 4A und 4B zeigen schematische Darstellungen von bekannten Projektionssystemen.

In Fig. 1 ist schematisch ein Raster-Linsensystem für eine aufrechte Abbildung im Maßstab 1 : 1 dargestellt. Das zusammengesetzte Raster-Linsensystem 20 besteht aus mehreren Abbildungssystemen 21, von denen jedes durch ein konvergierendes optisches Übertragungssystem, z. B. Mikrolinsen oder dergleichen, gebildet ist. Ein bestimmter Bereich bzw. ein Teilbereich einer Objektebene 1 wird mittels des einzelnen Abbildungssystems aufrecht im Maßstab 1 : 1 projiziert, wobei eine einheitliche Gesamtabbildung dadurch erzeugt wird, daß die aufrechten Teilbilder der einzelnen Abbildungssysteme einander überlappen. Insgesamt kann mit diesem zusammengesetzten Abbildungssystem eine große Objektebene, die von einem einzigen Abbildungssystem nicht erfaßt werden könnte, auf die Bildebene projiziert werden. Bei dieser 1 : 1-Abbildung sind die optischen Achsen der jeweiligen Abbildungssysteme 21 zueinander parallel ausgerichtet und stehen senkrecht auf der Objektebene 1 und der Bildebene 2.

Wird nun der Objektabstand verändert, um mit dem optischen Projektionssystem verkleinert oder vergrößert abzubilden, so überlappen sich die Abbildungen der einzelnen Abbildungssysteme bzw. Teilbilder auf der Bildebene nicht gleichmäßig und sind voneinander versetzt, so daß sich eine Fehlanpassung der Abbildungen ergibt. Diese Fehlanpassung ruft eine erhebliche Abnahme der optischen Leistungsfähigkeit des projizierenden Gesamtsystems hervor.

Um diesem Problem zu begegnen, wurde ein Verfahren zur Kompensation der Fehlanpassung von aus Teilbildern zusammengesetzten Mehrfachabbildungen bei verkleinernder oder vergrößernder Projektion in der EP 00 40 548 A1 vorgeschlagen. Ähnlich wie gemäß der genannten US 41 68 900 nimmt die Neigung der optischen Achsen der einzelnen Abbildungssysteme vom Zentrum zur Peripherie hin zu. Entsprechend weichen die axialen Lichstrahlen der einzelnen Abbildungssysteme auf der Objektebene und der Bildebene fortschreitend zu den Außenbereichen zunehmend stark von der Senkrechten ab. Hierdurch tritt eine örtliche Änderung des Abbildungsmaßstabs auf, d. h. der Abbildungsmaßstab differiert innerhalb des Bildfeldes eines Teilbildes in Abhängigkeit von den in Fig. 3 dargestellten unterschiedlichen Längen der Strahlengänge l&sub4;&sub1; und l&sub4;&sub2;.

Auch ist es schwierig, durch die in der EP 00 40 548 A1 vorgeschlagene Dezentrierung der lichteinfallsseitigen oder -ausfallsseitigen Endflächen der Abbildungssysteme oder durch eine zusätzliche Brechung der Lichtstrahlen die örtliche Änderung des Abbildungsmaßstabs auszugleichen.

Die JP-OS 59-45 420 zeigt ein optisches Projektionssystem, bei dem die Fehlanpassung von Mehrfachabbildungen durch eine Anordnung kompensiert wird, bei der Ablenkelemente aus Fresnel- Linsen oder dergleichen mit unterschiedlichen Ablenkwinkeln für jedes Abbildungssystem gebildet sind.

Gemäß der JP-OS 59-2 16 115 wird ein Projektionssystem vorgeschlagen, bei dem die Fehlanpassung von Mehrfachabbildungen durch eine Anordnung kompensiert wird, bei der mehrere sphärische Linsen zumindest objektseitig oder bildseitig bezüglich des zusammengesetzten Linsensystems angeordnet sind.

Auch mit den beiden optischen Projektionssystemen gemäß der JP-OS 59-45 420 und der JP-OS 59-2 16 115 ist es schwierig, die örtlichen Verzerrungen innerhalb der Abbildung auszuschließen.

Ein weiteres Problem wird anhand der Fig. 4A und 4B erläutert. Wenn bei umgekehrter Abbildung ein auf der Objektebene 1 angeordnetes Objekt 23 auf die Bildebene 2 unter Verwendung von zwei umkehrenden Abbildungssystemen 221 und 222 projiziert wird, kann sich eine Fehlanpassung der einzelnen Teilbilder bzw. Abb. 24-1 und 24-2 ergeben.

Um dieses Problem zu umgehen, wurde, wie Fig. 4B zeigt, eine Anordnung mit mehreren Bilddreheinrichtungen 25 vorgesehen, über die die Teilbilder 26-1 und 26-2 projiziert werden. Hierdurch ergibt sich eine relativ komplizierte und platzraubende Anordnung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Projektionssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß auch bei einem vom Maßstab 1 : 1 abweichenden Abbildungsmaßstab stets eine einwandfreie Abbildung sichergestellt ist.

Diese Aufgabe wird mit den in dem Patentanspruch 1 angegebenenen Merkmalen gelöst.

Dadurch, daß die axialen Lichtstrahlen die Objekt- und die Bildebene parallel zueinander verlaufend schneiden, werden örtliche Unterschiede im Abbildungsmaßstab des gesamten zusammengesetzten Linsensystems vermieden. Hierdurch wird auch eine weitgehend homogene Leuchtdichteverteilung in der Abbildung entsprechend dem zu projizierenden Objekt gewährleistet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 5, 6 und 7 eine erste Ausführungsform des optischen Projektionssystems gemäß der Erfindung;

Fig. 8, 9, 10 und 11 eine zweite Ausführungsform des optischen Projektionssystems;

Fig. 12 eine dritte Ausführungsform des Projektionssystems;

Fig. 13 und 14 eine vierte Ausführungsform des Projektionssystems;

Fig. 15 und 16 eine fünfte Ausführungsform des Projektionssystems;

Fig. 17 bis 22 eine sechste Ausführungsform des Projektionssystems;

Fig. 23A und 23B eine siebente Ausführungsform des Projektionssystems;

Fig. 24A, 24B und 24C eine achte Ausführungsform des Projektionssystems;

Die Fig. 5 zeigt schematisch eine Ausführungsform für den Fall, daß das optische Projektionssystem gemäß der Erfindung als Verkleinerungssystem ausgebildet ist. Es sind eine Objektebene 1, eine Bildebene 2 und ein aus einer Vielzahl von aufrechten Reellbildsystemen 111, 112, 113, . . . bestehendes zusammengesetztes Raster-Linsensystem 100 gezeigt.

Die Punkte A2, B2, C2, . . . und die Punkte A3, B3, C3, . . . bezeichnen jeweils Stellen, an denen optische Elemente zur Ablenkung von Lichtströmen, die durch die jeweiligen Abbildungssysteme für aufrechte Abbildung treten, in Reihen angeordnet sind. Insbesondere sind bei dieser Ausführungsform die optischen Elemente durch Umlenkelemente gebildet, die mit einer vorbestimmten Neigung angeordnet sind.

Bei dieser Ausführungsform sind die Umlenkspiegel aus Gründen einer Vereinfachung weggelassen und nur die Strahlengänge der Lichtstrahlen auf den optischen Achsen der jeweiligen Abbildungssysteme gezeigt. Es ist darauf hinzuweisen, daß das auch für alle anderen, nachfolgend noch zu beschreibenden Ausführungsformen gilt.

Bei der in Rede stehenden Ausführungsform ist eine Vielzahl von optischen Elementen in Reihen entlang der Punkte A2, B2, C2, . . . und A3, B3, C3, . . . jeweils angeordnet, wobei die zwei Reihen von optischen Elementen eine erste Ablenkeinheit und eine zweite Ablenkeinheit bilden.

Die Punkte A1, B1, C1, . . . auf der Objektebene 1 und die Punkte A4, B4, C4, . . . auf der Bildebene 2 bezeichnen Stellen, an denen Lichtstrahlen L1, L2, L3, . . . auf den optischen Achsen der Abbildungssysteme 111, 112, 113, . . . jeweils die Ebenen schneiden.

Die Neigung der Ablenkspiegel, die an den Punkten A2-E2 angeordnet sind, wird in geeigneter Weise festgesetzt, um zu gewährleisten, daß die jeweiligen Lichtstrahlen L1-L5, die von der Objektebene 1 ausgehen und die Punkte A2-E2 erreichen, zu zueinander parallelen Lichtstrahlen werden.

Diese Lichtstrahlen L1-L5 werden nach ihrer Reflexion durch die Umlenkspiegel, die an den Stellen A2-E2 angeordnet sind, zu zueinander nicht-parallelen Lichtstrahlen gemacht und jeweils zu den entsprechenden Abbildungssystemen 111-115 gelenkt. Anschließend werden durch geeignete Einstellung der Neigung der an den Punkten A3-E3 vorgesehenen Umlenkspiegel die nicht-parallelen Lichtstrahlen, die aus den Abbildungssystemen 111-115 austreten, auf die Bildebene 2 als parallele Lichtstrahlen gelenkt, die zu den Abständen der von der Objektebene 1 ausgehenden parallelen Lichtstrahlen unterschiedliche Abstände oder Teilungen haben.

Auf diese Weise werden bei dieser Ausführungsform die Abstände der parallelen Lichtstrahlen in Übereinstimmung mit dem Abbildungsmaßstab verändert, so daß die Lichtstrahlen L1-L5 jeweils die Objektebene 1 und die Bildebene 2 in einem parallelen Zustand schneiden. Ein bestimmter Bereich bzw. Teilbereich der Objektebene 1, z. B. ein Teil der Objektebene in der Nachbarschaft des Punkts C1, wird bei dieser Ausführungsform durch den am Punkt C3 angeordneten Umlenkspiegel mittels des Abbildungssystems 113 über den am Puntk C2 mit einer vorbestimmten Neigung angeordneten Umlenkspiegel reflektiert und dann mit einem verkleinerten Maßstab in der Nachbarschaft des Punkts C4 als Teilbild auf die Bildebene 2 abgebildet. Die Punkte C1, C2, C3 und C4 sind bei dieser Ausführungsform so angeordnet, daß sie in der gleichen Ebene liegen. Diese Anordnung gewährleistet, daß die Orte der optischen Achsen der Abbildungssysteme in derselben Ebene liegen und daß die durch die Abbildungssysteme projizierten Teilbilder keiner Relativdrehung, die eine "Fehlanpassung durch Drehung" zum Ergebnis hätte, unterliegen. Die oben erläuterte Anordnung gilt ebenso auch für die anderen Abbildungssysteme, wobei vorgegebene Bereiche der Objektebene 1 jeweils in einem verkleinerten Maßstab auf die Bildebene projiziert werden.

Es ist zu bemerken, daß unter der Annahme eines Abbildungsmaßstabs m das Verhältnis eines Abstandes zwischen den Punkten A1 und B1 in der Objektebene 1 zu einem Abstand zwischen den Punkten A4 und B4 in der Bildebene 2 m-fach wird. Das gilt auch für die Abstände der jeweils anderen Punkte.

In dem in Fig. 5 gezeigten Koordinatensystem können die Koordinaten beispielsweise der Punkte B1, B2, B3 und B4 folgendermaßen ausgedrückt werden:

B1 = (x, 1/2, h/2)

B2 = (x, 1/2, -h&sub1;)

B3 = (mx, -1/2, h&sub2;)

B4 = (mx, -1/2, -h/2)

Die Anordnung wird so getroffen, daß, wenn angenommen wird, daß L die optische Achsenlänge eines Abbildungssystems ist, die Punkte B2, B3 in Richtung der Z-Achse folgende Koordinaten haben:



worin die optische Achsenlänge L als eine Funktion des Abbildungsmaßstabs m ausgedrückt wird und ihr Wert in Abhängigkeit von dem Abbildungsmaßstab m veränderlich ist.

Bei dieser Ausführungsform werden durch die Abbildungssysteme erzeugte und auf die Bildebene projizierte Teilbilder als Mehrfachabbildung, dazu gebracht, einander zu überlappen, indem die Ausgestaltungen und die Neigung der in Vielzahl vorhandenen Umlenkspiegel, die auf der Seite der Objektebene 1 und der Bildebene 2 angeordnet sind, verändert werden, so daß eine einheitliche Abbildung erzeugt und eine Fehlanpassung der Abbildungen bzw. Teilbilder verhindert wird.

Darüber hinaus wird bei dieser Ausführungsform die Neigung der jeweiligen Abbildungssysteme und der Umlenkspiegel derart festgesetzt, daß die Lichtstrahlen L1 - L5 auf der optischen Achse der jeweiligen Abbildungssysteme die Objektebene 1 und die Bildebene 2 im wesentlichen unter rechten Winkeln schneiden. Das heißt mit anderen Worten, daß die Anordnung derart getroffen ist, daß die Lichtstrahlen L1 - L5 auf den optischen Achsen der jeweiligen aufrechten reellen Bilder nach einem Umlenken durch die Umlenkspiegel zueinander parallel werden und die Objektebene 1 sowie die Bildebene 2 unter rechten Winkeln schneiden.

Durch diese Anordnung wird das Auftreten einer Änderung in dem Abbildungsmaßstab, die vorkommt, wenn die Lichtstrahlen auf den optischen Achsen der aufrechten Reellbildungsysteme die Objektebene oder die Bildebene unter einer Neigung schneiden, wie im Zusammenhang mit Fig. 3 beschrieben wurde, verhindert.

Die Fig. 6 zeigt eine Draufsicht der in Fig. 5 gezeigten Darstellung während die Fig. 7 eine Seitenansicht ist, die den Punkt C1 auf der Objektebene 1 und das Abbildungssystem 113, das in Fig. 5 gezeigt ist, einschließt.

Die in den Fig. 6 und 7 gezeigten Elemente sind zu den in Fig. 5 mit gleichen Bezugszeichen bezeichneten Elementen identisch.

Eine in Fig. 6 die Punkte A1, B1, C1, . . . auf der Objektebene 1 verbindende gerade Linie D11 und eine die Punkte A4, B4, C4 . . . auf der Bildebene 2 verbindende gerade Linie D41 sind zueinander parallel. Die einzelnen Elemente sind derart angeordnet, daß sich die Projektionen der optischen Achsen der Abbildungssysteme 111, 112, 113, . . . in einer zur Zeichnungsebene senkrechten Richtung in einem Punkt 0 schneiden.

Unter Verwendung der Abstände D71, D72 zwischen den in Fig. 5 gezeigten jeweiligen Elementen wird der Abbildungsmaßstab m des optischen Projektionssystems in diesem Fall folgendermaßen ausgedrückt:

m = D72/D71

Die in Vielzahl vorhandenen Abbildungssysteme sind bei dieser Ausführungsform jeweils aus identischen Linsen gebildet. Aus diesem Grund sind die Abbildungssysteme jeweils dreidimensional in unterschiedlichen Ebenen angeordnet, so daß die Längen ihrer optischen Achsen identisch werden. Diese Anordnung ermöglicht es, daß alle Abbildungssysteme, die Abbildungen unter den gleichen Bedingungen projizieren, so daß für die jeweiligen Abbildungssysteme gleichförmige optische Kennwerte gewährleistet sind.

Die Positionen A2, B2, C2, . . . und die Positionen A3, B3, C3, . . . der jeweiligen Umlenkspiegel können nach Wunsch innerhalb des Bereichs, der die Gleichung (1) erfüllt, festgesetzt werden, jedoch können die Positionen der anderen Umlenkspiegel, wenn einmal die Positionen einer Gruppe der Umlenkspiegel festgesetzt sind, nacheinander dank der Kennwerte der Abbildungssysteme bestimmt werden.

Die Fig. 8 zeigt schematisch ein weiteres optisches Projektionssystem mit der Objektebene 1, der Bildebene 2 und dem aus mehreren umkehrenden Abbildungssystemen 121, 122 bestehenden zusammengesetzten Linsensystem 120.

Die Punkte A2, B2 und A3, B3 bezeichnen jeweils Positionen, an denen optische Elemente zur Ablenkung von durch die jeweiligen umkehrenden Abbildungssysteme tretenden Lichtströmen in Reihen angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform werden die optischen Elemente insbesondere durch reflektierende Elemente gebildet und sind mit einer vorbestimmten Neigung angeordnet.

Auch hier sind die Umlenkspiegel weggelassen und nur die Strahlengänge der Lichtstrahlen auf den optischen Achsen der einzelnen Abbildungssysteme gezeigt.

Eine Vielzahl von optischen Elementen, die in Reihen längs der Punkte A2, B2 und A3, B3 jeweils angeordnet sind, dienen als eine Ablenkeinrichtung.

Die Punkte A1, B1 auf der Objektebene 1 und die Punkte A4, B4 auf der Bildebene 2 bezeichnen Stellen, an denen die Lichtstrahlen L1, L2 auf den optischen Achsen der Abbildungssysteme 121, 122 jeweils die Ebenen schneiden.

Ein bestimmter Bereich der Objektebene 1, z. B. ein Teil der Objektebene 1 in der Nachbarschaft des Punkts B1, wird bei dieser Ausführungsform von dem am Punkt B2 angeordneten Umlenkspiegel reflektiert, durch das Abbildungssystem 122 geführt und von dem an der Position B3 unter einer bestimmten Neigung angeordneten Umlenkspiegel reflektiert, so daß er in die Nachbarschaft des Punkts B4 auf die Bildebene 2 projiziert wird. Die Punkte B1, B2, B3 und B4 sind bei dieser Ausführungsform in der gleichen Ebene angeordnet. Durch diese Anordnung wird gewährleistet, daß die Orte der optischen Achsen der Abbildungssysteme in der gleichen Ebene liegen und die durch die Abbildungssysteme projizierten Bilder keiner Relativdrehung unterliegen, so daß eine Fehlanpassung durch Drehung nicht auftritt. Die oben beschriebene Anordnung gilt vollständig auch für die anderen umkehrenden Abbildungssysteme, wobei bestimmte Bereiche der Objektebene 1 jeweils auf die Bildebene 2 projiziert werden.

Die Fig. 9 zeigt schematisch die Beziehungen bei einer Abbildung. Wie gezeigt, wird mit Bezug auf einen Teil 123-1 eines Objekts 123 auf der Objektebene 1 ein Objektbild 124-1 auf der Bildebene 2 mit Hilfe eines umkehrenden Abbildungssystems 121 und einer durch Umlenkspiegel, die an den Punkten A2 sowie A3 angeordnet sind, gebildeten Umlenkeinrichtung erzeugt.

In gleichartiger Weise wird mit Bezug auf einen anderen Teil 123-2 des Objekts 123 ein Objektbild 124-2 auf der Bildebene 2 mit Hilfe des umkehrenden Abbildungssystems 122 und einer Umlenkeinrichtung erzeugt, die von an den Punkten B2, B3 angeordneten Umlenkspiegeln gebildet ist.

Bei dieser Ausführungsform wird eine 180°-Fehlanpassung einer Drehung der Teile 123-1 und 123-2 des Objekts, die bei Anwendung von zwei umkehrenden Abbildungssystemen auftritt, kompensiert, und es wird eine Bildaufnahme erhalten, die derjenigen gleich ist, die man unter Verwendung von einem umkehrenden Abbildungssystem erhält.

Es ist zu bemerken, daß unter der Annahme des Abbildungsmaßstabs m das Verhältnis eines Abstands zwischen den Punkten A1 und B1 auf der Objektebene 1 zu einem Abstand zwischen den Punkten A4 und B4 auf der Bildebene 2 m-fach wird. Das gilt auch für die Abstände der anderen jeweiligen Punkte.

Bei dem in Fig. 8 gezeigten Koordinatensystem können die Koordinaten beispielsweise der Punkte B1, B2, B3 und B4 folgendermaßen ausgedrückt werden:

B1 = (x, 1/2, h/2)

B2 = (x, 1/2, -h&sub1;)

B3 = (-mx, -1/2, h&sub2;)

B4 = (-mx, -1/2, -h/2)

Hierbei wird eine derartige Anordnung getroffen, daß, wenn L als die optische Achsenlänge eines umgekehrten Reellbildsystems angenommen wird, die Punkte B2 und B3 in der Z-Achsenrichtung folgende Koordinaten haben:



worin die Länge der optische Achse L als eine Funktion des Maßstabs m ausgedrückt ist und ihr Wert sich in Abhängigkeit von dem Abbildungsmaßstab m ändert.

Bei dieser Ausführungsform werden auf die Bildebene projizierte, durch die Abbildungssysteme erzeugte Abbildungen als Mehrfachabbildungen dazu gebracht, sich einander zu überlappen, indem die Ausgestaltungen und die Neigung der in Vielzahl vorhandenen, auf der Seite der Objektebene 1 und der Bildebene 2 angeordneten Umlenkspiegel derart verändert werden, daß sich die Projektionen der optischen Achsen der Abbildungssysteme in die Bildebene 2 in einem Punkt schneiden. Dadurch wird ein einheitliches Gesamtbild erzeugt, so daß eine Fehlanpassung der Bilder nicht entsteht.

Darüber hinaus wird bei dieser Ausführungsform die Neigung der jeweiligen Abbildungssysteme und der Umlenkspiegel derart festgesetzt, daß die Lichtstrahlen L1-L2 auf den optischen Achsen der jeweiligen Abbildungssysteme die Objektebene 1 und die Bildebene 2 im wesentlichen unter rechten Winkeln schneiden. Das bedeutet, daß die Anordnung derart getroffen ist, daß die Lichtstrahlen L1-L2 auf den optischen Achsen der jeweiligen umgekehrten reellen Abbildungen nach ihrer Reflexion durch die Umlenkspiegel zueinander parallel werden und die Objektebene 1 sowie die Bildebene 2 unter rechten Winkeln schneiden. Diese Anordnung verhindert das Auftreten einer Veränderung des Abbildungsmaßstabs, auf die im Zusammenhang mit Fig. 3 eingegangen worden ist.

Die Fig. 10 zeigt eine Draufsicht der in Fig. 8 gezeigten Darstellung, während die Fig. 11 eine Seitenansicht der Darstellung der Fig. 8 zeigt.

Die in Fig. 10 und 11 dargestellten Elemente, die zu denen der Fig. 8 identisch sind, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet.

In Fig. 10 sind eine die Punkte A1, B1 auf der Objektebene 1 verbindende gerade Linie D1 und eine die Punkte A4, B4 auf der Bildebene 2 verbindende gerade Linie D4 zueinander parallel. Die einzelnen Elemente sind derart angeordnet, daß sich die Projektionen der optischen Achsen der in Vielzahl vorhandenen umkehrenden Abbildungssysteme 121, 122 in die Zeichenebene von Fig. 10 in einem Punkt 0 schneiden.

Unter Verwendung der Abstände D41 und D42 zwischen den in Fig. 10 gezeigten jeweiligen Elementen wird in diesem Fall der Abbildungsmaßstab m des optischen Projektionssystems folgendermaßen ausgedrückt:

m = D42/D41.

Bei dieser Ausführungsform sind die in Mehrzahl vorhandenen Abbildungssysteme jeweils durch identische Linsen gebildet. Aus diesem Grund werden die Abbildungssysteme jeweils dreidimensional in verschiedenen Ebenen angeordnet, so daß ihre optischen Achsenlängen identisch werden. Diese Anordnung ermöglicht es, daß alle Abbildungssysteme die Abbildungen unter den gleichen Bedingungen projizieren, so daß für die jeweiligen Abbildungssysteme gleichförmige optische Kennwerte gewährleistet werden.

Die Positionen A2, B2 und A3, B3 der jeweiligen Umlenkspiegel können nach Wunsch innerhalb des die Gleichung (2) erfüllenden Bereichs festgesetzt werden, jedoch können die Positionen der anderen Umlenkspiegel, wenn die Positionen von einer Gruppe der Umlenkspiegel einmal festgesetzt sind, anschließend dank der Kennwerte der Abbildungssysteme bestimmt werden.

Die oben beschriebene Ausführungsform bezieht sich auf einen Fall, wonach Umlenkspiegel als optische Elemente verwendet werden. Jedoch kann das Auftreten der Fehlanpassung der Abbildungen und der Änderung des Maßstabs in gleichartiger Weise verhindert werden, wenn eine Anordnung vorgesehen wird, bei der, wie die Fig. 12 zeigt, der Lichtstrahl L1 auf der optischen Achse des aufrecht abbildenden Abbildungssystems 121 oder des umgekehrten abbildenden Abbildungssystems 121 die Objektebene 1 und die Bildebene 2 unter rechten Winkeln schneidet.

Bei den Ausführungsformen der Fig. 5 und 8 ist ein Fall beschrieben, wobei die Änderung des Maßstabs vollständig durch eine Anordnung kompensiert wird, bei der ein Lichtstrahl auf der optischen Achse des Abbildungssystems die Objektebene und die Bildebene unter rechten Winkeln schneidet. Wenn jedoch eine geringfügige Änderung in der Vergrößerung zulässig ist, kann eine solche Anordnung getroffen werden, daß ein Lichtstrahl auf der optischen Achse wenigstens entweder die Objektebene oder die Bildebene unter rechten Winkeln oder im wesentlichen unter rechten Winkeln schneidet. Darüber hinaus kann auch eine Anordnung vorgesehen werden derart, daß der Lichtstrahl beide Ebenen unter einer geringen Neigung schneidet.

Die Fig. 13 und 14 sind eine zu den Fig. 6 bzw. 7 gleichartige Draufsicht bzw. Seitenansicht, wobei aufrecht projizierende Abbildungssysteme 131-135 vorgesehen sind. Die Fig. 14 zeigt einen Fall, dem der Lichtstrahl L3 auf der optischen Achse des Abbildungssystems 133 die Objektebene 1 unter einem Winkel φ1 und die Bildebene 2 unter einem Winkel φ2 in einer zur Anordnungsrichtung von Teilen auf der Objekt- oder Bildebene senkrechten Ebene schneidet.

Bei den in den Fig. 13 und 14 gezeigten Ausführungsformen kann von den beiden Ablenkeinrichtungen, die jeweils durch eine Mehrzahl von Umlenkspiegeln gebildet sind, eine Ablenkeinrichtung auf der Seite der Objektebene 1 oder der Bildebene 2 weggelassen werden.

Die Fig. 15 und 16 zeigen Ausführungsformen, denen die optischen Achsen oder deren Verlängerungen von umkehrenden Abbildungssystemen 141 und 142 (s. auch Fig. 10 und 11) winklig bezüglich der Objekt- sowie Bildebene in der zur erwähnten Anordnungsrichtung rechtwinkligen Ebene angeordnet sind. Die Fig. 16 zeigt einen Fall, bei dem der Lichtstrahl auf der optischen Achse des umkehrenden Abbildungssystems die Objektebene 1 unter dem Winkel φ1 und die Bildebene 2 unter dem Winkel φ2 schneidet.

Bei den in Fig. 15 und 16 dargestellten Ausführungformen kann von den zwei durch die Vielzahl von Umlenkspiegeln gebildeten Ablenkeinrichtungen eine auf der Seite der Objektebene 1 oder auf der Seite der Bildebene 2 weggelassen werden.

Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Projektionssystems ist in Fig. 17 gezeigt, in der aufrecht projizierende Abbildungssysteme 151-154, die ein zusammengesetztes optisches System 150 bilden, in einer Ebene angeordnet sind.

Bei dieser Ausführungsform werden mehrere Abbildungssysteme jeweils durch Linsen mit unterschiedlichen optischen Kennwerten gebildet; alle diese Systeme 151-154 sind in derselben Ebene angeordnet. Dadurch wird eine Vereinfachung der Anordnung erreicht. Jede der optischen Weglängen der Abbildungssysteme 151-154 ist unterschiedlich; die optische Weglänge des Abbildungssystems 153, das im Zentrum angeordnet ist, ist die kürzeste, während die optischen Weglängen des Abbildungssystems länger werden, je näher diese an der Peripherie liegen. Die übrigen Ausbildungen der in Fig. 17 gezeigten Ausführungsform sind im wesentlichen der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform identisch.

Bei der in Fig. 18 gezeigten weiteren Ausführungsform sind die ein zusammengesetztes Abbildungssystem 160 bildenden umkehrenden Abbildungssysteme 161-163 alle in einer Ebene angeordnet, wodurch eine Vereinfachung der gesamten Anordnung erreicht wird. Jede der optischen Weglängen der umkehrenden Abbildungssysteme ist unterschiedlich, wobei die Weglänge des im Zentrum angeordneten Abbildungssystems 162 die kürzeste ist, während die Weglängen bzw. die Strahlengänge jeweils länger werden, je weiter das betreffende Abbildungssystem in der Peripherie angeordnet ist.

Wenngleich bei der Ausführungsform von Fig. 18 die Anzahl der umkehrenden Abbildungssysteme zu der Ausführungsform von Fig. 8 unterschiedlich ist, so sind die übrigen Ausbildungen grundsätzlich identisch zu der in Fig. 17 gezeigten Ausbildung.

Die Fig. 19 zeigt eine Ausführungsform mit aufrecht abbildenden, ein zusammengesetztes Abbildungssystem 170 bildenden Systemen 171-175, während die Fig. 20 umkehrende Systeme 181-183, die ein zusammengesetztes Abbildungssystem 180 bilden, zeigt.

Bei der in Fig. 19 gezeigten Ausführungsform sind ausgewählte, abwechselnde, reihenartig angeordnete reflektierende Punkte B2, D2 näher zur Objektebene 1 als reihenartig angeordnete reflektierende Punkte A2, C2 und E2 angeordnet; dementsprechend ist auch die Vielzahl der Abbildungssysteme abwechselnd angeordnet, so daß zwei bezüglich der Objektebene 1 vertikal zueinander beabstandete Reihen gebildet werden.

Die eine Reihe optischer Elemente wird durch zwei in einer Reihe an den Punkten B2, D2 angeordnete optische Elemente gebildet, während die andere Reihe optischer Elemente in ähnlicher Weise durch drei in einer Reihe an den Punkten A2, C2 und E2 angeordnete optische Elemente gebildet wird. Diese beiden Reihen optischer Elemente, die in zwei Ebenen angeordnet sind, bilden eine erste Ablenkeinheit.

Die Anordnung der Punkte A3, B3, C3, . . . auf der Seite der Bildebene 2 entspricht der Anordnung der Punkte A2, B2, C2, . . . auf der Seite der Objektebene 1. Eine in einer Reihe an den Punkten B3, D3 angeordnete Reihe von optischen Elementen und eine in einer Reihe an den Punkten A3, C3 und E3 angeordnete Reihe optischer Elemente bilden eine weitere, zweite Ablenkeinheit.

Bei dieser Ausführungsform wird ein gegebener Bereich der Objektebene 1, z. B. ein Teilbereich der Objektebene in der Nachbarschaft des Punkts C1, durch den am Punkt C3 angeordneten Umlenkspiegel mit Hilfe des aufrechtprojizierenden Abbildungssystems 173 über den an der Stelle C2 angeordneten Umlenkspiegel mit einer vorbestimmten Neigung reflektiert und dann in einem verkleinerten Maßstab in der Nachbarschaft des Punkts C4 auf die Bildebene 2 als Teilbild projiziert.

Die Punkte C1, C2, C3 und C4 sind bei dieser Ausführungsform so angeordnet, daß sie in derselben Ebene liegen. Durch diese Anordnung wird gewährleistet, daß die Orte der optischen Achsen der Abbildungssysteme sich in der gleichen Ebene befinden und daß durch die aufrecht projizierenden Abbildungssysteme projizierte Bilder keiner Relativdrehung unterliegen, so daß eine "Fehlanpassung durch Drehung" nicht auftritt.

Durch die Abbildungssysteme auf die Bildebene projizierten, Abbildungen, d. h. die sog. Mehrfachabbildungen, werden bei dieser Ausführungsform zur Überlappung gebracht, indem die Ausgestaltungen und die Neigung der auf der Seite der Objektebene 1 und auf der Seite der Bildebene 2 angeordneten Umlenkspiegel verändert werden, so daß insgesamt ein Gesamtbild erzeugt wird, bei dem eine Fehlanpassung der Abbildungen verhindert ist.

Zusätzlich wird bei dieser Ausführungsform, um die oben erwähnte Veränderung im Abbildungsmaßstab zu unterbinden, die Neigung der jeweiligen Abbildungssysteme und der Umlenkspiegel derart festgesetzt, daß die Lichtstrahlen L1-L5 auf den optischen Achsen der jeweiligen Abbildungssysteme die Objektebene 1 und die Bildebene 2 jeweils unter im wesentlichen rechten Winkeln schneiden. Das heißt mit anderen Worten, daß eine derartige Anordnung getroffen wird, daß die Lichtstrahlen L1-L5 auf den optischen Achsen der jeweiligen aufrechten Reellbilder nach der Reflexion durch die Umlenkspiegel zueinander parallel werden und die Objektebene 1 sowie die Bildebene 2 unter rechten Winkeln schneiden.

Bei der in Fig. 20 gezeigten Ausführungsform sind die Reflexionspunkte A2 und C2, die aus den Punkten in der Objektebene alternierend zugeordnet sind, im Vergleich zu dem Reflexionspunkt B2 weiter entfernt von der Objektebene angeordnet. Wenngleich in Fig. 20 nur ein solcher Reflexionspunkt B2 dargestellt ist, sind tatsächlich mehrere solcher Reflexionspunkte vorhanden, da mehr als drei umkehrende Abbildungssysteme existieren. Die Vielzahl von umkehrenden Abbildungssystemen ist dementsprechend alternierend angeordnet, so daß zwei bezüglich der Objektebene 1 vertikal zueinander beabstandete Reihen von Abbildungssystemen gebildet werden.

Eine Reihe optischer Elemente wird durch die zwei optischen Elementen 182 und 183, die in einer Reihe an den Punkten A2 und C2 angeordnet sind, gebildet, während die andere Reihe optischer Elemente 181 in gleichartiger Weise durch optische Elemente, die in einer Reihe entsprechend dem Punkt B2 angeordnet sind, gebildet wird. Diese beiden Reihen von optischen Elementen bilden eine Ablenkeinheit. Die Anordnung der Punkte A3, B3 und C3 auf der Seite der Bildebene 2 entspricht der Anordnung der Punkte A2, B2 und C2 auf der Seite der Objektebene. Die Gruppe in einer Reihe an den Punkten A3 und C3 angeordneter optischer Elemente und die Gruppe optischer Elemente, die in einer Reihe am Punkt B3 angeordnet ist, bilden eine weitere Ablenkeinheit.

Bei der in Fig. 20 gezeigten Ausführungsform wird auch eine Anordnung zur Kompensation der erwähnten Fehlanpassung durch Drehung und Veränderung des Abbildungsmaßstabs angewendet.

In den Fig. 21 und 22 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Projektionssystems gezeigt, wobei in Fig. 21 aufrechte Systeme 191-200 ein zusammengesetzes Abbildungssystem 190 bilden, während die Fig. 22 umkehrende Systeme 211-216 zeigt. In den Fig. 21 und 22 entsprechen Elementen mit gleichen Bezugszeichen entsprechenden bereits genannten Elementen.

Gemäß Fig. 21 sind jeweilige optische Elemente an den Punkten A2-E2 bezüglich der Punkte A1-E1 in der Objektebene 1 angeordnet, wobei sie eine Reihe optischer Elemente bilden. An den Punkten F2-J2 sind jeweilige optische Elemente entsprechend der Punkte F1-J1 der Objektebene 1 angeordnet, wodurch eine weitere Reihe optischer Elemente gebildet wird. Diese beiden Reihen optischer Elemente liegen in vertikal beabstandeten Reihen. Bei dieser Ausführungsform bilden zwei Reihen der optischen Elemente eine Ablenkeinheit.

Auf der Seite der Bildebene 2 bilden wie auf der Seite der Objektebene 1 mehrere an den Punkten A3-E3 angeordnete optische Elemente eine Reihe optischer Elemente, während mehrere an den Punkten F3-J3 angeordnete optische Elemente eine weitere Reihe optischer Elemente bilden. Diese beiden Reihen optischer Elemente sind in mit Bezug zur Bildebene 2 vertikal beabstandeten Reihen angeordnet und bilden die Ablenkeinheit auf der Seite der Bildebene.

Ferner ist bei dieser Ausführungsform die Anordnung so getroffen, daß durch Vorsehen mehrerer vertikal beabstandeter Reihen optischer Elemente sowohl auf der Seite der Objektebene als auch der Bildebene mehrere umkehrende Abbildungssysteme für die jeweiligen optischen Elemente sich in einem Raum gegenseitig nicht stören.

Bei den in den Fig. 21 und 22 gezeigten Ausführungsformen wird eine Anordnung gebildet, die eine Kompensation der erwähnten Fehlanpassung durch Drehung und Änderung im Abbildungsmaßstab ermöglicht.

Um zwischen einander benachbarten Abbildungssystemen ein Übersprechen zu unterbinden, werden bei den beschriebenen Ausführungsformen vorzugsweise Abschirmelemente eingesetzt, und zwar von der ersten Ablenkeinheit, in der die Ablenkelemente (z. B. reflektierende Flächen, Prismen) für jedes Abbildungssystem mit aufrechter und umkehrender Abbildung) getrennt sind, bis zur letzten Ablenkeinheit, in der die Ablenkelemente für jedes Abbildungssystem über die Abbildungssysteme getrennt sind.

Die vorstehende Beschreibung bezieht sich auf einen Fall, bei dem das optische Projektionssystem bei einem verkleinernden System angewendet wird, jedoch kann die Erfindung in gleichartiger Weise bei einem vergrößernden System verwendet werden, wenn eine umgekehrte Anordnung des gesamten verkleinernden Systems benutzt wird.

Es ist darauf hinzuweisen, daß bei den bisherigen Ausführungsformen die Anordnung des gesamten optischen Projektionssystems nach Wunsch derart ausgelegt werden kann, daß eine gemeinsame Reflexionsfläche einfach zur Ablenkung eines Lichtstroms wenigstens entweder zwischen der Objektebene und der ersten Ablenkeinheit oder zwischen der Bildebene und der zweiten Ablenkeinheit vorgesehen wird.

Eine solche Einrichtung oder Anordnung wird erreicht, indem man die Beziehung zwischen der Objekt- und Bildebene in eine bestimmte Lagebeziehung bringt und für eine Kompensation der Vorwärts- und Rückwärtsbeziehung einer Abbildung sorgt.

Wenn eine geringfügige Fehlanpassung der Abbildungen oder Abweichung einer Vergrößerung bei den beschriebenen Ausführungsformen zulässig ist, so kann darüber hinaus eine derartige Anordnung vorgesehen werden, daß Lichtströme mehrerer Abbildungssysteme durch einen einzigen Umlenkspiegel abgelenkt werden.

Wie die Fig. 23A und 23B zeigen, kann ein zusammengesetztes Abbildungssystem 230, das aus mehreren senkrecht zur Zeichnungsebene angeordneten Abbildungssystemen besteht, entweder zwischen der Objektebene 1 und der ersten Ablenkeinheit oder zwischen der Bildebene 2 und der zweiten Ablenkeinheit in Übereinstimmung mit dem Projektionsmaßstab und dem Abstand zwischen dem Objekt und der Abbildung angeordnet werden.

Diese Anordnung ist insofern wünschenswert, als sie ermöglicht, die optischen Achsen der Abbildungssysteme parallel auszurichten und eine vereinfachte Anordnung anzuwenden.

In einem Fall, daß die Abbildungssysteme des optischen Systems einen Raum einnehmen, wie z. B. ein Satz von Mikrolinsen 240, kann die Ablenkeinrichtung am Ort des Raumes, wie die Fig. 24A, 24B und 24C zeigen, angeordnet werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Optisches Projektionssystem zum Projizieren einer Objektebene in eine Bildebene mit einem vom Maßstab 1 : 1 abweichenden Maßstab unter Verwendung eines zusammengesetzten Raster-Linsensystems, das durch mehrere Abbildungssysteme gebildet ist, wobei jedes Abbildungssystem ein Teilbild eines Teilbereichs der Objektebene in die Bildebene abbildet, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine erste Ablenkeinheit (A2, B2, C2) und eine zweite Ablenkeinheit (A3, B3, C3) vorgesehen sind, die alle Lichtstrahlen, die entlang der optischen Achsen (L1 bis L5) der Abbildungssysteme (111, 112, 113, . . .) verlaufen so umformen, daß sie im Bereich zwischen der ersten und der zweiten Ablenkeinheit (A2, B2, C2; A3, B3, C3) zueinander nichtparallel verlaufen und sowohl die Objekt- als auch die Bildebene (1, 2) parallel zueinander verlaufend schneiden.
  2. 2. Projektionssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheiten (A2, B2, C2; A3, B3, C3) mehrere optische Elemente umfassen, die jeweils einem der Abbildungssysteme (111, 112, 113, . . .) zugeordnet sind.
  3. 3. Projektionssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente Umlenkspiegel sind.
  4. 4. Projektionssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Elemente Prismenelemente (126, 127) sind.
  5. 5. Projektionssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheiten (A2, B2, C2; A3, B3, C3) in wenigstens einem der Räume zwischen dem Raster-Linsensystem und der Objektebene einerseits und dem Raster-Linsensystem und der Bildebene andererseits angeordnet sind.
  6. 6. Projektionssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungssysteme (111, 112, 113, . . .) und die Ablenkeinheiten (A2, B2, C2; A3, B3, C3) derart angeordnet sind, daß die Projektionen in die Bildebene der nichtparallelen Lichtstrahlen auf den optischen Achsen der Abbildungssysteme sich an einem Punkt schneiden.
  7. 7. Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Achsen der Abbildungssysteme (111, 112, 113, . . .) teilweise zueinander parallel verlaufen, und zwar in der Nähe der Objektebene (1) und/oder in der Nähe der Bildebene (2).
  8. 8. Projektionssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungssysteme (111, 112, 113, . . .) Linsen (240) umfassen und die Ablenkeinheiten (A2, B2, C2; A3, B3, C3) zumindest teilweise zwischen diesen Linsen vorgesehen sind.
  9. 9. Projektionssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungssysteme (111, 112, 113, . . .) in derselben Ebene angeordnet sind.
  10. 10. Projektionssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Abbildungssystem (111, 112, 113, . . .), dessen optischen Achse und die Punkte, an denen der zugehörige axiale Lichtstrahl die Objektebene (1) und die Bildebene (2) schneidet, jeweils in derselben Ebene liegen.
  11. 11. Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheiten mehrere Reihen mit mehreren optischen Elementen umfassen.
  12. 12. Projektionssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die den mehreren Reihen zugeordneten Teilbereiche auf der Objektebene (1) in einer Linie angeordnet sind.
  13. 13. Projektionssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die den mehreren Reihen zugeordneten Teilbereiche auf der Objektebene (1) in mehreren geraden Linien angeordnet sind, wobei jeder der Reihen eine der geraden Linien zugeordnet ist.
  14. 14. Projektionssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungssysteme aufrecht abbildende Systeme (111 bis 115, 131 bis 135, 151 bis 154, 161 bis 163, 171 bis 175, 191 bis 200) sind.
  15. 15. Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungssysteme umgekehrt abbildende Systeme (121, 122, 141, 142, 181 bis 183, 211 bis 216) sind.
  16. 16. Projektionssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Weglängen aller Abbildungssysteme (111, 112, 113, . . .) einander gleich sind.
  17. 17. Projektionssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die entlang der optischen Achsen verlaufenden und abgelenkten Lichtstrahlen zumindest auf der Objekt- oder der Bildebene (1, 2) senkrecht stehen.






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