DE2843798A1 - Bildprojektionseinrichtung - Google Patents

Description

Bildproj ektionseinrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bildprojektionseinrichtung zum Projizieren eines aufrechten Bildes eines zu projizierenden Objekts auf eine Projektionsfläche. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Facettenbildprojektor, bei dem eine einzige oder eine Mehrzahl von Stablinsen angeordnet ist, deren Länge in Richtung der optischen Achse größer ist als der wirksame Linsendurchmesser.

Die US-PS 3 605 593 beschreibt eine Bildprojektionseinrichtung, die ein vollständiges Bild eines zu projizierenden Objektes auf eine Projektionsfläche projiziert, wozu kleine Linsen in einer einzigen oder eine Mehrzahl von Reihen angeordnet sind und jede der kleinen Linsen ein Teilbild des zu projizierenden Objekts auf die Projektionsfläche projiziert.

Diese Bildprojektionseinrichtung hat den Vorteil, daß im Vergleich zu einem Bildprojektor, der mit Hilfe einer einzigen Linse das gesamte Bild des zu projizierenden Objekts auf die Projektionsfläche projiziert, die konjugierte Länge, d.h. die Länge zwischen dem zu proji IV/9

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Deutsche Bank (München) Klo 51/61070

Dresdner Bank (München) Kto. 3939 844

Posischeck (München) Kto 670-43-804

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zierenden Objekt und der Bildprojektionsfläche kurz wird. Aus diesem Grunde wird ein derartiger Facettenbildprojektor zum Abtasten einer Bildvorlage in einem Bildreproduktionsgerät verwendet, wenn dessen Gesamtabmessung verringert sein soll. Beispielsweise offenbaren die GB-PS 1 125 887 und die US-PS 3 584 950 Bildreproduktxonsgeräte, die ein aufrechtes Bild der gesamten Bildvorlage auf einem lichtempfindlichen Material ausbilden, indem das Facettenlinsensystem relativ zur Bildvorlage und dem lichtempfindlichen Material bewegt wird.

Darüber hinaus ist in der GB-PS 1 462 085 eine Bildprojektionseinrichtung mit Facettenreflektion beschrieben, die ein Gesamtbild einer Bildvorlage erzeugt, indem Teilbilder des zu projizierenden Objekts unter Verwendung einzelna.r kleiner Linsen, die ein Facettenlinsensystem bilden, auf eine Spiegelfläche projiziert werden und dann die auf der Spiegelfläche ausgebildeten Teilbilder durch dieselben kleinen Linsen auf die Bildprojektionsfläche zurückprojiziert werden.

Die Erfindung betrifft eine Verbesserung der in diesem britischen Patent beschriebenen Bildprojektionseinrichtung mit Facettenreflektion, wobei erfindungsgemäß für das Facettenlinsensystem Stablinsen verwendet werden, deren Länge in Richtung der optischen Achse größer ist als der wirksame Linsendurchmesser.

Derartige Stablinsen sind bereits in der US-PS 3 252 beschrieben. Darüber hinaus ist eine Verbesserung dieser Stablinsen in der US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen 889 404 (angemeldet am 23. 3.1978) und in der deutschen Patentanmeldung P 28 13 763.5 (angemeldet am 30.3.78) beschrieben.

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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bildproj ektionseinrichtung,

Fig. 2 eine Darstellung der Lichtwege der Einrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bildprojektionseinrichtung und

Fig. 4 eine Darstellung der Lichtwege der Einrichtung gemäß Fig. 3.

Das in Fig. 1 gezeigte optische System der erfindungsgemäßen Bildprojektionseinrichtung besteht aus dem Objekt 1, einem Halbspiegel 2, der mit einer Neigung von 45° angeordnet ist, und sogenannten Stablinsen 3, die im Vergleich zu ihrem wirksamen Linsendurchmesser eine beträchtliche Länge entlang ihrer optischen Achse besitzen. Eine Mehrzahl von Stablinsen 3 ist in einer einzigen Richtung entlang der Längsrichtung des Objekts angeordnet. Ein Spiegel 4 ist in einer konjugierten oder im wesentlichen konjugierten Lage zum Objekt 1 angeordnet. Eine Bildprojektionsfläche ist mit der Bezugsziffer 5 bezeichnet. Unter der Annahme, daß im Feld einer der Linsen 3 ein Buchstabe "P" liegt, wird mittels der Linse 3 ein Bild dieses Buchstaben "P" auf dem Spiegel 4 oder in dessen Nachbarschaft ausgebildet. Licht, welches das Bild dieses Buchstaben "P" bildet, wird an dem Spiegel 4 reflektiert, tritt wieder in die Linse ein und wird an dem Halbspiegel 3 auf die Bildprojektionsfläche gerichtet, wodurch ein Spiegelbild des Buchstaben

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"P" auf dieser Bildprojektionsfläche 5 ausgebildet wird.

Fig. 2 zeigt eine Darstellung der Lichtwege der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung. In der Zeichnung bezeichnet 6 eine Aparturblende, 7 eine Bildfeldblende und 8 die optische Achse. Hinsichtlich der Einzelheiten über die Linse 3 ist gefunden worden, daß günstige Ergebnisse dann erhalten werden, wenn die Linse so ausgelegt wird, daß ihre Dicke entlang der optischen Achse dem Zwei- bis Sechzigfachen der Größe des wirksamen Linsendurchmessers entspricht. Wie im einzelnen nachstehend erläutert wird, sollte die Linse so ausgelegt werden, daß sie die Beziehungen (6) bis (10) erfüllt. Zur leichteren Erläuterung werden die Bezugsziffern und Symbole von Fig. 2 verwendet.

Wie in der Zeichnung gezeigt ist, ist der Krümmungsradius der ersten Fläche der Linse 3, d.h. der dem Objekt zugewandten Fläche mit r.. bezeichnet, dar Krümmungsradius der zweiten Fläche die Linse 3, d.h. der dem Bild zugewandten Fläche mit r„ bezeichnet (ein negativer Betrag in der Zeichnung), die Dicke im Zentrum der Linse, d.h. die Dicke der Linse zwischen der ersten und zweiten Fläche entlang der optischen Achse mit d₁ und der Hauptbrechungsindex des Linsenmaterials, d.h. ein repräsentativer Brechungsindex bezogen auf die Konstruktionswellenlänge mit n¹.. bezeichnet. Weiter ist der wirksame Durchmesser dieser Linse φ* , die Größe des Objekts P φ , die Größe des durch die Linse 3 erzeugten Zwischenbilds φ~/ der Abstand von der ersten Fläche die Linse 3 zum Objekt P S- (ein negativer Betrag in der Zeichnung) und der Abstand von der zweiten Fläche zum Zwischenbild S¹». Ferner ist die Lateralvergrößerung des Zwischenbildes in bezug auf das Objekt P

Die wirksame Blendenzahl auf der Objektseite dieser Linse ist mit Fe bezeichnet. Die wirksame Blendenzahl, die vom Beleuchtungszustand bestimmt wird, nämlich

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Js_{1 +}

IJ

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die Lateralvergroßerung ßW/ß^j < i) des Zwischenbilds, die so festgelegt ist, daß kein Abschatten des Teilbilds verursacht wird, der Objektabstand S₁ und der Abstand S' von der Rückseite der Linse zum Zwischenbild sind alles vorbestimmbare Werte. Der Hauptbrechungsindex η¹.. der Linse kann durch Auswahl des zu verwendenden Materials festgelegt werden. Aus diesen fünf vorgegebenen Größen Fe, β-, S₁, S'₂ und n'* können unter Anwendung des Prinzips der idealen Abbildung aus den nachstehenden Beziehungen der Krümmungsradius r. der ersten Fläche der Linse 3, der Krümmungsradius r~ der zweiten Fläche der Linse 3, die Linsendicke d¹ * im Zentrum derselben, der wirksame Linsendurchmesser 0₁ und der wirksame Teildurchmesser des Objekts 0_O bestimmt werden.

Zunächst ist der Zusammenhang zwischen der Lateralvergroßerung B₁ und den Konstruktionsdaten der Linse durch die Gleichung

^C2)

gegeben, worin _ ^ηΊ - ¹

(Brechkraft der ersten Oberfläche),.

(Brechkraft der zweiten Oberfläche)und

_ 1

bedeuten,

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Die Bedingung, unter der die Hauptliehtstrahlen des vom Objekt auftreffenden Strahlenbündels, d.h. die durch das Zentrum der ersten Oberfläche tretenden Lichtstrahlen parallel zur optischen Achse projiziert werden, nachdem sie die zweite Oberfläche verlassen haben, wird im Hinblick darauf, daß die Brennweite der zweiten Oberfläche (d.h. 1/0₂) gerade gleich β¹ ^ ist, durch die folgende Beziehung repräsentiert

Aufgrund der Tatsache, daß die unteren Lichtstrahlen des Strahlenbündels entlang des Rands der Linse 3 parallel zu dem Lichtbündel verlaufen, nachdem sie die erste Oberfläche passiert haben, da für das vom Rand des wirksamen Objektdurchmessers 0^ auf die Linse 3 auftreffende Lichtbündel die Bedingung besteht, daß es nicht abgeschattet oder verdeckt wird, wird folgende Gleichung erhalten:

Schließlich ergibt sich aus der Bedingung, den Abstand S¹ ₂ von der zweiten Oberfläche der Linse 3 zur Lage des Zwischenbilds auf einem vorbestimmten geeigneten Wert zu halten, die Notwendigkeit für folgende Gleichung;

S'₂ = /?_t χ ((I -P₁ ^e\^y>^s ₁ - ^e' tlf ⁽5>

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Durch gleichzeitiges Auflösen der oben genannten Bedingungen in den Gleichungen (1) bis (5) nach r.., τ~; d¹ ₁, 0₁; und 0_O, werden zunächst folgende Ergebnisse erhalten:

(6)

(7)

1 - (9)

2Fe

"Ό I_n ^s I ^x ^₁ .(ίο)

Ferner wurde experimentell gefunden, daß die Linse 3 in einem Maß von +10% von den oben beschriebenen Gleichungen (6) bis (10) abweichen darf, d.h. die Linse maß so ausgelegt sein, daß sie den folgenden Beziehungen genügt.

- 1) χ i-^ Z. F₁ ^K₂ χ W₁ -Dx

ll

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K₁ χ (1 -

χ η· ₁ χ

-S/Fe

^ r₂ ^ K₂ χ (1

d' ₄ < K₂ χ η' ₁ χ

- η¹

0-, ^= K₀ χ

-S/Fe

worm: K₁ = 0.9,

=1.1 sind.

Die folgende Tabelle 1 zeigt die Daten eines Beispiels für eine solche Linse.

Tabelle 1

	K	SI2	Sl	-0.513	n'l	Mate rial	ri	r2	d'l
2.6	2.8	3-5	-2.5	I.51633	BK 7	5.ΊΊ3	-6.^99	19.67

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführung ist vom Standpunkt der wirksamen Ausnützung des Lichts nicht so vorteilhaft,da der Halbspiegel verwendet wird. Fig. 3 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform der optischen Bildprojektionsvorrichtung, die für ein Bildreproduktionsgerät sehr geeignet und im Hinblick auf eine wirksame Ausnützung des Lichts vorteilhaft ist.

In Fig. 3, die das optische System der Bildprojektionsein-

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richtung zeigt, wie es in einem Bildreproduktionsgerät eingesetzt ist, bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine zu reproduzierende Bildvorlage. Die Bildvorlage 1 ist auf einen bekannten Bildvorlagenauflagetisch aufgelegt. An der Oberfläche eines Prismenblocks 10 sind Spiegelflächen 11, 12 und 13 ausgebildet, die relativ zur optischen Achse der Linse 3 geneigt sind. Die Stablinse 3 hat in Richtung ihrer optischen Achse eine bemerkenswert große Länge im Vergleich mit ihrem wirksamen Durchmesser .In der Bildebene der Stablinse 3 oder in der Nähe derselben ist ein Spiegel 4 angeordnet. Mit 5 ist ein fotoempfindliches Material oder eine fotoempfindliche Trommel bezeichnet. Obwohl "es in der Zeichnung nicht dargestellt ist, ist ein Mechanismus zum Bewegen der Bildvorlage und des fotoempfindlichen Materials in Pfeilrichtung vorgesehen. Die Stablinsen 3, die in einer Reihe senkrecht zur Bewegungsrichtung der Bildvorlage und des fotoempfindlichen Materials angeordnet sind, erzeugen auf dem Spiegel 4 schlitzförmige Teilbilder, die senkrecht zur Bewegungsrichtung der Bildvorlage 1 verlaufen. In der Zeichnung ist repräsentativ hierfür ein Buchstabe "P" gezeigt, der in einem Bereich angeordnet ist, der von einer der Stablinsen in diesem schlitzförmigen Abschnitt erfaßt wird. Dieser Zustand ist in Fig. 4 im Detail gezeigt. Licht von dem Buchstaben "P" auf der Bildvorlage 1 wird an der Spiegelfläche 11 reflektiert und tritt in den oberen Teil der Stablinse 3 ein. Demgemäß wird auf der Spiegelfläche 4 ein invertiertes Zwischenbild ausgebildet. Es muß bemerkt werden, daß dieses Zwischenbild in einem gewissen Ausmaß verkleinert ist. Licht von dem Zwischenbild auf dem Spiegel 4 tritt wieder in die Stablinse 3 ein, wobei das aus dem unteren Teil dieser Stablinse 3 austretende Licht an den Spieqelflachen 12 und 13 reflektiert wird und in derselben iaae Spiegelbilder auf der Bildprojektionsfläche 5 erzeugt. Indem die Bildvorlage und

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das fotoempfindliche Material 5 in Pfeilrichtung bewegt werden, wird das gesamte Vorlagenbild auf das fotoempfindliche Material 5 projiziert. In Fig. 4 bezeichnet 6 eine Aperturblende und 7 eine Bildfeldblende.

Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist als Beispiel die Anordnung der Stablinsen in einer einzigen Reihe gezeigt. Es muß jedoch darauf hingewiesen werden, daß die Stablinsen in Doppelreihen angeordnet werden können.

Es soll auch erwähnt werden, daß die Stablinsen, wenn sie in zwei oder mehr Reihen angeordnet sind, vorteilhaft in Zick-Zack-Form angeordnet werden.

Die Erfindung betrifft somit einen Facettenbildprojektor, bei dem eine einzige oder eine Mehrzahl von Reihen sogenannter Stablinsen, deren Länge in Richtung ihrer optischen Achse größer ist als der wirksame Linsendurchmesser, angeordnet ist, wobei jede Stablinse ein Teilbild des zu projizierenden Objekts auf eine Spiegelfläche projiziert und das auf dieser Spiegeloberfläche gebildete Teilbild durch dieselbe Stablinse auf eine Bildprojektionsfläche projiziert wird. Durch die Reihe von Stablinsen wird das gesamte Bild des Objekts auf der Projektionsfläche ausgebildet, wobei das auf diese Weise erzeugte Gesamtbild ein aufrechtes Bild ist.

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Claims (3)

Patentansprüche

1. Bildprojektionseinrichtung, bei der Teilbilder eines zu projezierenden Objekts durch eine Mehrzahl einzelner, in mindestens einer Reihe angeordneter Linsen auf einem reflektierenden Körper abgebildet werden, Licht von dem reflektierenden Körper durch dieselben Linsen wieder auf eine Bildprojektionsfläche projiziert wird und auf diese Weise das gesamte Bild des zu projezierenden Objekts auf die Bildprojektionsfläche projiziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede Linse (3) eine Länge (d.) in Richtung ihrer optischen Achse besitzt, die im Vergleich zum wirksamen Linsendurchmesser {Φ.) lang ist.

2. Bildprojketionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem reflektierenden Körper (4) eine Bildfeldblende (7) vorgesehen ist.

3. Bildprojektionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstruktionsdaten und der wirksame Durchmesser der einzelnen Linse durch folgende Beziehungen gegeben sind:

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K χ (η¹ - 1) χ

χ (ι -

^₁ έ. K₂ χ (n' - 1) χ

₁S₁ > r-₂2L K₂ χ (ι -

χ η

χ η'

-S /Fe

-S /Fe

K₁ χ

Λ⁵ι >

X Ψ_Λ1=> I⁰O^

worin r. der Krümmungsradius der Linsenoberflache auf der Objektseite ist, ^ der Krümmungsradius der Linsenoberfläche auf der Bildseite ist, d¹ ₁ die Linsendicke entlang der optischen Achse zwischen der Oberfläche der Linse auf der Objektseite und der Oberfläche der Linse auf der Bildseite ist, 0₁ der wirksame Durchmesser der Linse ist, 0_O die Größe des Objekts ist, n¹ ₁ der Brechungsindex des Materials der Linse in bezug auf die Konstruktionswellenlänge ist, B₁ die Lateralvergrößerung bzw. der Abbildungsmaßstab der Linse ist, S₁ der Abstand entlang der optischen Achse zur Objektoberfläche ist, wobei die objektseitige Linsenoberfläche den Bezug bildet, S', der Abstand entlang der optischen Achse zum Zwischenbild, wobei die bildseitige Linsenoberfläche den Bezug bildet, Fe die wirksame Blendenzahl auf der Objekt-

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seite ist und K^ = 0,9 und K₂ = 1,1 sind.

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