DE2843998A1

DE2843998A1 - Drehbares optisches abtastsystem

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Publication number: DE2843998A1
Application number: DE19782843998
Authority: DE
Inventors: Ulrich M Fritzler
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-10-17
Filing date: 1978-10-09
Publication date: 1979-04-19
Also published as: CA1108449A; ATA742378A; NL7810401A; GB2007383A; JPS5467427A; GB2007383B

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein optisches Gerät zur Erzeugung stationärer Bilder auf oder von einem eine Relativbewegung durchführenden Objekt, z.B. einem sich kontinuierlich bewegenden Filmstreifen, sie bezieht sich insbesondere auf ein Bestrahlungs- und Projektionslinsensystem zur Schaffung eines Abtastsystems, welches sich zum Einbau in Projektoren, Kameras und optischen Abtasteinrichtungen eignet, um ein bewegtes Bild mit relativ minimalen Störungen optisch unbewegt darzustellen.

Obwohl der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein modulares optisches Gerät betrifft, welches als wesentliches Bauelement bei einer Vielzahl optischer Einrichtungen eingesetzt werden kann, wird im Rahmen dieser Beschreibung insbesondere auf das Gebiet der Laufbilder Bezug genommen.

Bei der herkömmlichen Projektion von Laufbildern wird eine Filmtransporteinrichtung benötigt, welche eine intermittierende Bewegung durchführt. Der herkömmliche Projektor erzeugt üblicherweise unerwünschte Geräusche, Filmabnutzung, Bild/Schirm-Deckungsfehler und Begrenzungen der Bildgeschwindigkeit. Die mit intermittierender Bewegung arbeitenden Projektionssysteme verursachten Geräusche haben zur Folge, daß im gewerblichen Umfeld normalerweise eine Projektionskabine eingesetzt wird. Die erforderliche intermittierende Bewegung beschädigt nicht nur die Perforationen des Films, sondern die ständigen Start- und Stopp-Effekte haben eine die Geschwindigkeit stark begrenzende Wirkung. Häufig scheinen die projizierten Bilder aufgrund der vertikalen Instabilität und des Flimmerns in herkömmlichen Einrichtungen zu springen. Zusätzlich entstehen durch die intermittierende

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Bewegung Anschlußprobleme zwischen der Korrelation der Klang- und Bildeigenschaften der Laufbilder.

Bei einem herkömmlichen Projektor wird eine mit drei Flügeln versehene Blende verwendet, wobei jeder Flügel eine Bedeckung von 55° bewirkt, so daß insgesamt 165 von einer 360°-Bestrahlung blockiert sind. Dies bedeutet, daß 46% der Zeit der Schirm aufgrund des durch die Flügel bedingten Lichtverlustes abgedunkelt ist. Dadurch wird die erkennbare Bildbelichtung entsprechend um 46% verringert. Zusätzlich macht der komplexe Aufbau des mit intermittierender Bewegung erfolgenden Transports eine komplexe Führung des Films im Projektor erforderlich.

Wird ein herkömmlicher Projektor bei einem Video-Wandler-Einsatz verwendet, so muß ein Kompensator eingesetzt werden, um das Filmbild auf dem Schirm zur Lösung des Synchronisationsproblems unbeweglich zu machen, welches durch die normaler Pro jektionsfrequenz von 24 Bildern pro Sekunde eines kinematografischen Films aufgeworfen wird, die den 30 Bildabtastungen pro Sekunde des typischen Videosystems gegenüberstehen.

In den letzten sechzig Jahren sind verschiedene Arten von optischen Kompensationseinrichtungen vorgeschlagen worden. Optische Kompensatoren oder Einrichtungen zur Unbeweglichmachung von Bildern fallen klassischerweise unter folgende getrennte Kategorien: Rotierende und/oder oszillierende Spiegeleinrichtungen, rotierende Linseneinrichtungen und rotierende Polygonprisma-Einrichtungen. Der Mechau-Projektor gemäß der US-PS 1 401 346 stellt ein klassisches Beispiel eines optischen Kompensators vom Spiegeltyp dar. Der Mechau-Projektor wurde um 1920 gebaut und war wohl der erste technisch erfolgreiche, kontinuierlich arbeitende Projektor.

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Die US-PS 1 93 7 3 78 und die US-PS 1 091 864 offenbaren relativ einfache Polygon-Reflexionsprojektoren.

Die US-PS 1 154 835 ist von besonderem Interesse, da sie eine Reflektortrommel offenbart, die einen Reflektor mit drei planaren Reflektoren enthält, welche senkrechte Reflexionsoberflächen besitzen, die jeweils längs einer cartesischen Koordinate liegen, wobei ein Filmfenster die Bestrahlung auf eines der Filmbilder beschränkt. Es wurde dort erkannt, daß die Bildbewegung insbesondere an den äußeren Kanten eines Bildes ein Problem darstellt. Die angebotene Lösung bewirkt jedoch während der Abtastung eine dynamische Störung und Defokussierung über das gesamte Bild. Die Tatsache, daß nur ein einziges Filmbild bestrahlt wird, schafft Lichtflimmern im reellen Bild.

Die US-PS 3 583 798 offenbart eine Hochgeschwindigkeitskamera mit einem optischen Kompensator, der einen zentral befestigten Spiegel enthält, um einen Lichtstrahl auswärts auf einen reflektierenden Rhombusaufbau zu werfen.

Ferner werden die US-PS 1 530 903, 336 153, 1 156 596, 3 885 857, 3 889 102 und 3 894 800 der Vollständigkeit halber als von allgemeinerem Interesse genannt.

Die DE-PS 547 240 und 563 520 betreffen ein lentikulares Linsensystem für die Hochgeschwindigkeitsfotografie.

Rotierende Linseneinrichtungen waren aufgrund der Aberration und der Kosten für Präzisionslinsen weniger erfolgreich als Spiegeleinrichtungen oder andere Verfahren .

Beispiele für optische Kompensatoren mit rotierenden Prismen sind aus den US-PS 2 085 594, 2 417 00 2 und

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der US-PS RE22,960 bekannt. Die US-PS 2 070 033, 2 262 und 3 539 251 stellen weitere Beispiele von optischen Kompensatoren mit Prismen dar.

Die optische Unbeweglichmachung von Bildern läßt sich als eine Versetzung eines Lichtstrahls innerhalb eines optischen Systems beschreiben, wobei diese Versetzung derart erfolgt, daß - im Falle der Herstellung eines Bildes mittels einer Kamera - der vom Objekt herkommende Teil des Strahls oder - im Falle der Projektion eines Laufbildes - der vom Projektor zur Schirmfläche verlaufende Teil des Strahls fest stationär, zur optischen Achse der Belichtung bzw. Projektion zentriert, gehalten wird, während der dem Schnittpunkt mit dem Film benachbart liegende Teil des Strahls optisch derart versetzt wird, daß er sich synchron mit der Filmbewegung bewegt. Dabei tritt wiederholt das Problem auf, daß es unmöglich ist, ein virtuelles Bild während der kinetischen Bewegung des Abtastsystems zu stabilisieren, welches während einer resultierenden Projektion und Vergrößerung eine Bildbewegung auf dem Schirm erzeugt hat. Dieses Problem wurde häufig als dynamischer Trapezfehler charakterisiert.

Die Verwendung eines rotierenden Polygonprismas aus festem Material kann während des Eintritts eines Lichtstrahls und während des Verlassene des Prismas eine Brechung erzeugen, um einen Abschnitt des Strahls innerhalb des Geräts zu versetzen, während der versetzte Abschnitt parallel zu dem feststehenden Teil des Strahls gehalten wird. Der versetzte Abschnitt des Lichtstrahls schneidet direkt den Film, wobei die Versetzung nach der Art eines fortschreitenden Wischvorganges erfolgt, so daß der versetzte Abschnitt des Strahls sich kontinuierlich exakt synchron mit dem bewegenden Film bewegt.

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Ein Polygon aus festem Material mit einem geeigneten Brechungsindex kann eine Bildüberlappungsauflösung liefern. Der Brechungsindex muß in der Größenordnung von 2,0 sein und eine entsprechende Aberrationskontrolle erfordert mindestens 26 Facetten, was eine maximale relative Apertur von ungefähr f/7 bedingt. Bei verwirklichbaren Polygonsystemen aus festem Material läßt sich ein Brechungsindex von etwa 2,0 nicht verwirklichen, und jedes nachfolgende projizierte Bild ersetzt das vorausgegangene Bild in einer von oben nach unten erfolgenden "Wisch"-Bewegungsart mit einem inhärenten Flimmern, welches eine korrigierende Blende zwischen den Bildern erforderlich macht.

Ein optischer Kompensator, der für die Philco Research Division als Laufbild-Filmscanner in den fünfziger Jahren für die Fernsehübertragung entwickelt wurde, beschäftigt sich mit einigen dieser Probleme eines Festkörperpolygons. In den US-PS 2 972 280 und 2 860 542 ist diese Arbeit beschrieben. Diese Patente betreffen eine Hohlpolygohanordnung, bei der eine Gruppe von Prismen, die innerhalb eines zylindrischen Hohlraums des Polygons liegen, verwendet wird, um den Lichtstrahl hinreichend abzulenken, um eine flimmerfreie überblendete Bildwiedergabe ohne Verwendung einer Blende, mit einer mäßigen relativen Apertur für ein 24-Facettensystem zu verwirklichen; gleichzeitig war eine befriedigende Steuerung der optischen Aberrationen und eine Kompensation der Filmschrumpfung gegeben. Die aus den US-PS 2 972 280 und 2 860 542 bekannten Einrichtungen wurden unter Zugrundelegung der Theorie entwickelt, daß die Parallelität der stationären und der versetzten Abschnitte des projizierten Lichtstrahls es erforderlich macht, daß der Strahl in gleichem Umfange beim Eintritt und beim Verlassen des Polygonprismas gebrochen wird. Einige Nachteile dieser bekannten Systeme

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bestehen darin, daß die relative Apertur des optischen Systems begrenzt ist, daß relativ teure Materialien für die Prismen benötigt werden, daß Bildfeldwölbungs-Aberrationen und andere optische Brechungs-Aberrationen vorhanden sind, die in einem Projektionssystem besonders nachteilig sind. Dieses Gerät wurde jedoch als ein Farbfernsehfilm-Abtastgerät benutzt, das in dem Aufsatz "New 3 5 mm Television Film Scanner" Journal of SMPTE, Band 62, Januar 1954, Seite 45, beschrieben wurde.

Die US-PS 2 817 995 betrifft eine Abwandlung eines Hohlpolygonprismas, bei dem ein sich drehender Kompensationskern verwendet wird, um einen Ausgleich der Filmschrumpfung zu ermöglichen.

Die US-PS 2 515 453 ist lediglich von allgemeinerem Interesse und betrifft einen optischen Kompensator mit einem Ein-Schritt-Prisma.

Einige der bekannten Einrichtungen liefern eine flimmerfreie überblendete Bilderzeugung, sie benötigen keine Blende und ermöglichen den Ausgleich der Filmschrumpfung. So wird in der Einrichtung gemäß den US-PS 2 972 280 und 2 860 542 die Ausdehnung des optischen Pfads durch den Kompensator und die Kompensation der Filmschrumpfung durch die verschiedene Anbringung beweglicher Prismen innerhalb des Hohlpolygons offenbart. Dieses Ergebnis wurde mit relativ teuren Komponenten erzielt und bedingte eine begrenzte relative Apertur und hatte kinetische Brechungs-Aberrationen zur Folge.

Probleme wie Bildverschiebung, dynamische Trapezfehler (Keystoning) und Reflexbilder treten auf, wenn bekannte Polygonreflexions-Abtasteinrichtungen in Laufbildprojektoren und Kameras verwendet werden. Diese Probleme

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werden voll sichtbar, wenn das Bild zum Beispiel bei der Laufbildprojektion vergrößert wird. Bis heute sind die Bemühungen innerhalb des Standes der Technik primär darauf gerichtet, Abtasteinrichtungen derart zu modifizieren, daß diese Probleme beseitigt werden. Die vorliegende Erfindung erkennt die vorhandenen Grenzen praktischer Ausführungsformen von Abtasteinrichtungen an und beseitigt die Auswirkungen dieser vorhandenen Beschränkungen, wie z.B. des dynamischen Trapezfehlers, dadurch, daß korrigierende Bestrahlungs- und Projektionssystems vorgesehen werden, die eine gewerbliche Vergrößerung eines Bildes ohne vom Betrachter wahrnehmbare Bildbewegungen ermöglichen.

Die Erfindung betrifft ein drehbares optisches Abtastsystem zur Übertragung mindestens zweidimensionaler aufeinanderfolgender Bilder von Objekten, um eine Bildruhelage zu verwirklichen. Die Objekte können als aus einer Vielzahl von diskreten Punkten zusammengesetzt betrachtet werden. Eine Abtasteinrichtung erzeugt virtuelle Bilder aufeinanderfolgender Objekte, wobei mindestens ein virtueller Bildpunkt jedes Objekts an einem feststehenden Punktort positioniert und mindestens ein weiterer Punktort des virtuellen Bildes von dem feststehenden Punktort des virtuellen Bildes versetzt und während einer Abtastbewegung relativ bewegbar ist. Die relative Bewegung kann in dem projizierten reellen Bild als dynamischer Trapezfehler (Keystoning) gekennzeichnet werden.

In der vorliegenden Erfindung werden die vorhandenen Beschränkungen praktischer Abtastgeometrien erkannt, und es wird eine spezielle Projektionslinsenanordnung und ein Bestrahlungssystem vorgesehen, welches die Wirkung der dynamischen Trapezfehler (Keystoning) zu eliminieren trachtet. In dieser Hinsicht begrenzt das optische

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Abtastsystem die effektive Übertragung eines Strahlenbündels des versetzten Punkts des virtuellen Bildes eines Objekts im wesentlichen auf eine tangentiale Grenzfläche mit einer Oberfläche aus fokussierten Realbild-Punktorten Die Oberflächen kennzeichnen die effektive Abtastdrehbewegung des projizierten versetzten Realbild-Punktes. Die Verwendung einer Projektionseinrichtung mit telezentrischen Eigenschaften und einem speziellen Bestrahlungssystem sind Merkmale der vorliegenden Erfindung, wobei das Bestrahlungssystem eine Vignettierung übertragener Lichtstrahlen ermöglicht, so daß diese selektiv verschiedene Bereiche des reellen Bilds jedes Filmbildes bestrahlen, wodurch die Lichttransmission in dem Bereich jedes Filmbildes fortschreitend verringert wird, wenn die Relativbewegung des versetzten Punktes des reellen Bildes zunehmend größer wird. Um einen Drehabtastwinkel zu liefern, der für eine spezielle Anwendung optimal ist, ist es durch Auswahl einer geeigneten Zahl von Facetten tatsächlich möglich, denjenigen Teil des projizierten reellen Bildes zu verringern, der das größte Maß an. Defokussierung erfährt, wodurch auf diese Weise diese Quelle einer wahrnehmbaren Bildbewegung wirksam vom projizierten reellen Bild entfernt wird, so daß der Betrachter eine kontinuierliche Projektion von Bildern wahrnimmt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Teilansicht eines erfindungsgemäßen Abtastsystems;

Fig. 2 eine schematisehe Teilaufsieht auf Fig. 1;

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Bestrahlungssystems für eine Drei-Spiegel-Abtasteinrichtung vor der Drehung;

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Fig. Λ eine schematische Ansicht des Bestrahlungssystems der Drei-Spiegel-Abtasteinrichtung nach der Drehung;

B¹Ig. 5 eine Darstellung der Bewegung der Ebene des reellen Bildes, die durch eine dynamische Trapezfehler-Aberration erzeugt wird;

Fig. 6 eine schematische Ansicht, welche die

Auswirkungen der dynamischen Trapezfehler-Aberration auf einem Projektionsschirm zeigt;

Fig. 7 eine schematische Ansicht, die die Auswirkungen des erfindungsgemäßen Bestrahlungs-Pro jektionssystems bei der Verringerung der dynamischen Trapezfehler angibt;

Fig. 8 eine schematische Ansicht eines Bestrahlungs-Untersystems für eine Zwei-Spiegel-Abtasteinrichtung vor der Drehung;

Fig. 9 eine schematische Ansicht des Bestrahlungs-Untersystems der Zwei-Spiegel-Abtasteinrichtung nach der Drehung; und

Fig. 10 eine schematische Ansicht eines Projektionslinsensystems.

Die folgende Beschreibung liefert dem Optik-Fachmann die Möglichkeit, die besten Betriebsarten der Erfindung auszuführen. Es liegen jedoch für den Fachmann viele Modifikationen innerhalb der Erfindung, da die Hauptprinzipien der vorliegenden Erfindung insbesondere im Hinblick auf eine modul are optische Einrichtung beschrieben werden, die in einer relativ ökonomischen Weise hergestellt werden kann.

Der Begriff "optischer Kompensator" oder "optische Unbeweglichmachung" wird verwendet, um eine gewünschte Funktion der vorliegenden Erfindung zu beschreiben. In diesem Zusammenhang wird auf die US-Patente 2 972 und 2 860 542 verwiesen, welche durch diese Bezugnahme

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bezüglich der Terminologie und der die optische Unbeweglichmachung betreffenden Theorie Bestandteil der vorliegenden Beschreibung sein sollen.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine modul are optische Einrichtung, die eine grundlegende Bildübertragungsoperation durchführt, welche in eine große Anzahl optischer Systeme, wie zum Beispiel eine Kamera, Filmwiedergabetische, Überblendungs-Diaprojektoren, Tele-Filmwandler und optische Abtasteinrichtungen oder Einrichtungen zur Unbeweglichmachung von Bildern einsetzbar sind. Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung werden in Verbindung mit einem Projektorsystem beschrieben, das eine gewerbliche Verwendung besitzen soll. Andere Verwendungen der Abtast-Grundanordnung erfordern gewisse Abwandlungen, wie zum Beispiel die Anbringung einer Rotationsblende bei einer Ausführungsform für eine Kamera.

Es sei darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung über das Spektrum der Energietransmission verwendet werden kann und nicht auf das Spektrum des sichtbaren Lichts von 400 Nanometer bis 700 Nanometer beschränkt ist. Die Verwendung des Begriffs "Licht" oder "Lichtstrahlen" soll hinreichend breit verstanden werden, um sowohl den ultravioletten als auch den Infrarot-Bereich der Energie zusätzlich zum Spektrum des sichtbaren Lichts zu umfassen.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt eines erfindungsgemäßen optischen Abtastsystems 2.

Das optische Abtastsystem 2 kann grob in drei wesentliche Unterkomponenten, nämlich in die Abtasteinrichtung 4, die Projektionslinsenanordnung 6 und die Bestrahlungsanordnung 8 unterteilt werden.

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Der Aufbau der Abtasteinrichtung 4 enthält zwei Polygontrommeln, die ebene reflektierende Facetten 10 und 12 aufweisen, welche um 90° gegeneinander versetzt sind. In einer alternativen Ausführungsform kann eine Hälfte eines entsprechenden reflektierenden Elements durch einen 90°-Dachwinkel ersetzt werden, der von einem Paar einzelner Dachspiegel gebildet wird. Die Wahl ebener reflektierender Facetten mit 90°-Dachwinkel-Facetten beeinflußt die grundlegende Bildübertragung nicht, sie macht lediglich eine Abänderung des Aufbaus der tragenden Bestrahlungsanordnung erforderlich. Die Zahl der verwendeten Spiegelpaare oder der reflektierenden Elemente und 12 wird teilweise durch die Genauigkeit der gewünschten Verwendung des erfindungsgemäßen Polygon-Abtastaufbaus bedingt.

Bevorzugt läßt sich jedes der reflektierenden Polygonelemente, welche die Abtasteinrichtung 4 bilden, aus Kunststoff spritzformen, um entweder die einzelnen reflektierenden Elemente 10 und 12 aufzunehmen oder direkt Oberflächen zu liefern, die mit reflektierendem Material beschichtet werden können. Die reflektierenden Polygonelemente lassen sich in geeigneter Weise aneinander befestigen, um die betreffenden reflektierenden Segmente 10 und 12 j edes Elements für eine gemeinsame Bewegung auszurichten. Das untere reflektierende Polygonelement kann mit geeigneten Zahnrädern versehen werden, die in die Perforationen des Filmstreifens 18 eingreifen. Es läßt sich ein Filmtransportsystem (nicht dargestellt) verwenden, um den Filmstreifen 18 anzutreiben, der seinerseits die Abtasteinrichtung 4 antreiben kann. Gleichermaßen kann die Abtasteinrichtung 4 verwendet werden, um den Filmstreifen 18 anzutreiben. Die Verwendung zusätzlicher Führungsrollen, Filmspulen und Toneinrichtungen

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stellt dem Fachmann geläufige Ausgestaltungen dar, sie sind zum Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich und sind daher nicht näher beschrieben.

Das Filmzahnrad 20 auf dem unteren reflektierenden Polygonelement 14 enthält Querstege 22, die, wie sich in dem von oben gesehenen Querschnitt der Fig. 2 erkennen läßt, relativ zwischen den jeweils oberen und unteren reflektierenden Polygonelementen angeordnet sind und einen vorteilhaften Drosseleffekt ausüben, um optisches Übersprechen zwischen reflektierenden Facetten oder Reflexbilder im projizierten reellen Bild zu verhindern.

Es sei darauf hingewiesen, da/3 bei einer tatsächlichen Ausführungsform der Abtasteinrichtung 4 das reflektierende untere Polygonelement 14 und das reflektierende obere Polygonelement 16 zur Justierung gegeneinander eine Relativbewegung ausführen können, um eine gemeinsame Anpassung an die Filmbilder zu ermöglichen, sofern irgendeine Einstellung aufgrund der Schrumpfung oder Ausdehnung des Films erforderlich ist.

Es wird wieder auf Fig. 1 Bezug genommen. Der Filmstreifen 18 ist schematisch dargestellt, die optische Achse erstreckt sich durch das Zentrum eines Bildes. Die optische Achse kann vom unteren reflektierenden Polygonelement 14 aufwärts zum oberen reflektierenden Polygonelement 16 verlaufen, sie erstreckt sich auswärts durch die Projektionslinsenanordnung 6 parallel zur radial einwärts verlaufenden optischen Achse. Der Abstand d^ ist die Strecke zwischen dem radial einwärts verlaufenden Lichtstrahl vom Zentrum des Filmbildes und der radial auswärts verlaufenden optischen Achse zur Projektion des Bildes; in anderen Worten, d₁ ist der Abstand zwischen einer reflektierenden Facette oder einem Dachspiegel-

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abschnitt auf dem reflektierenden unteren Polygonelement und einer reflektierenden Facette oder Dachspiegelabschnitt auf dem reflektierenden oberen Polygonelement 16 längs der optischen Achse; d„ ist der Abstand von einer gemeinsamen Rotationsachse oder dem Rotationsmittelpunkt der Abtasteinrichtung zur optischen Achse zwischen dem unteren und oberen reflektierenden Polygonelement 14 und 16. d„ kann auch als Abstand der Rotationsachse zu einer Ebene bezeichnet werden, welche den reflektierten Transmissionsenergiestrahl längs der optischen Achse zwischen dem oberen und dem unteren reflektierenden Polygonelement enthält, d-, ist der Abstand von der gemeinsamen Rotationsachse zum Filmstreifen 18 oder einem abgetasteten Objekt. Der Abstand 1 bezeichnet die rückseitige Brennweite der Projektionslinsenanordnung 6. Spezielle Abmessungswerte für ein bestimmtes Filmformat lassen sich von der Geometrie eines Polygons ableiten. Bei einer Polygon-Abtasteinrichtung mit 26 Facetten und einem Filmformat von 35 mm ergeben sich zum Beispiel folgende Abmessungen:

d₁ = 38,10 mm (1,500 Zoll) d₂ = 58,37 mm (2,298 Zoll) d₃ = 78,61 mm (3,095 Zoll)

Der Zusammenhang zwischen diesen Abständen läßt sich folgendermaßen ausdrücken:

d₃ = 2d₂ - _di

Die speziellen angegebenen Abmessungen sind für ein 35 mm-Filmformat mit einer Bildtrennung von 1,9 cm (0,748 Zoll) und einer Geometrie der Abtasteinrichtung mit 26 Facetten abgeleitet. Andere Formate und Facetten-Geometrien sind diesem speziellen Fall äquivalent und lassen sich anhand der vorliegenden Beschreibung leicht ableiten.

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Die Ausführungsform der Fig. 1 und 2 und die mathematische Analyse ist anhand der Geometrie einer 24 Facetten enthaltenden Abtasteinrichtung hergeleitet.

Das Bestrahlungs-Untersystem 8 übt eine wichtige Funktion dadurch aus, daß es den dynamischen Trapezfehler (Keystoning) bei dem Entwurf der Abtasteinrichtung 4 auf ein Minimum reduziert. Zusammen mit einer HMI AC Bogenlampe 28, z.B. einer MHI AC Bogenlampe mit 575 Watt und einer Bogenlänge von 12 mm werden zwei Kondensoren 24 und 26 verwendet. Die Bogenlänge ist wichtig, da die Kondensorelemente 24 und 26 zusammen den Bogen um einen Faktor von etwa 1 vergrößern, um ein Bild geringfügig vor den Querstegen 22 oder Drosselspeichen zu erzeugen. In die Bestrahlungsanordnung 8 läßt sich ein oder mehrere Spiegel 30 zur Umlenkung des Strahlengangs einsetzen. Die Wirkung der Spiegel 30 besteht darin, daß sie das Bild des Bogens derart orientieren, daß die lange Richtung des Bilds des Bogens in Richtung der Bewegung des Films ausgerichtet ist. Der zweite Kondensor 24 ist groß geftug, so daß drei Bilder des Films gleichzeitig angestrahlt werden können, wobei eine ebene reflektierende Facetten-Geometrie für die oberen und unteren reflektierenden Polygonelemente vorhanden ist.

Bei Verwendung eines 90°-Dach-Reflektors müßte der Kondensor 24 derart abgewandelt werden, daß nur zwei Bilder des Films gleichzeitig bestrahlt werden müssen.

Die Projektionslinsenanordnung 6 ist mit ihrer Bildfeldwölbung, welche die zylindrische Filmoberfläche komplementiert, derart ausgebildet, daß sie das gekrümmte virtuelle Bild, welches durch das Rotationszentrum der Abtasteinrichtung verläuft, in ein reelles Bild auf einen Schirm abbildet. Die Projektionslinsenanordnung 6 besitzt

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eine telezentrische Eigenschaft.

Die Abtasteinrichtung 4 ist für den Betrieb des optischen Abtastsystems 2 grundlegend. Idealerweise ist die Abtasteinrichtung derart ausgebildet, daß sie keinerlei eigene Aberration mit sich bringt, während sj.e den kontinuierlichen Wechsel von einem Bild zum nächsten Bild ohne irgendeine Bildbewegung oder intermittierende Bestrahlungsänderungen durchführt. Die beschriebene bevorzugte Ausführungsform verwendet ebene Spiegel, die keinerlei Aberration mit sich bringen, sofern die Oberflächen geeignet eben und richtig ausgerichtet sind.

Bei den anfänglichen experimentellen Arbeiten bestand die Projektionslinse 6 aus einem achromatischen zweiteiligen Objektiv, welches von der Firma Jaegers, Long Island, New York, unter der Produktnummer 14D3411 gekauft wurde und eine Bikonvex-Linse enthält, deren negative Seite der Abtasteinrichtung gegenüberliegt. Es wurde eine kreisrunde Aperturblende verwendet. Die Brennweite betrug 94 mm.

Der Filmkondensor 24 war plankonvex mit einer Brennweite von 75 mm und einem Durchmesser von 60 mm. Der Lichtkondensor 26 war ebenfalls plankonvex mit einer Brennweite von 45 mm und einem Durchmesser von 65 mm.

Der Filmkondensor 24 wurde so nah wie möglich an der Filmebene positioniert, so daß er gerade noch nicht den Staub auf der Oberfläche des Kondensors fokussierte, d.h. der Abstand betrug etwa 10 mm. Der Abstand des Lichtkondensors zum 12 mm langen Bogen der Lampe betrug 40 mm.

In das Bestrahlungs-Untersystem 8 kann, obwohl nicht dargestellt, ein besonderer, die Wärme reflektierender Spiegel eingefügt werden.

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Als alternative Ausführungsformen lassen sich ebenfalls herkömmliche Brechungsprismen mit geeigneten Justierungen einsetzen, so z.B. mit Justierung zur Kompensation der Farb-Aberration.

Aus Fig. 2 läßt sich erkennen, daß die Wirkung der Spiegel-Facetten in der Abtasteinrichtung darin besteht, ein virtuelles Bild des gekrümmten Filmbildes an der Rotationsachse der Abtasteinrichtung derart versetzt zu erzeugen, daß es auf der optischen Achse der Projektionslinse zentriert ist. Es sei darauf hingewiesen, daß ein zweidimensionales Bild aus einer Zahl diskreter Punkte aufgebaut gedacht werden kann, und es läßt sich feststellen, daß mindestens ein virtueller Bildpunkt jedes Filmbildes auf einem feststehenden Punktort der Drehachse der Abtasteinrichtung positioniert ist. Tatsächlich wird eine Linie aus Punkten längs der Drehachse abgebildet, die stationär bleibt, wenn die Abtasteinrichtung 4 gedreht wird. Auf diese Weise scheint es daher, daß diesa: Teil des Filmbildes stationär verharrt, wenn zwei oder mehr Facetten und " Filmbilder gleichzeitig bestrahlt werden und Licht von beiden in die Projektionslinse 6 gerichtet wird. Es erscheinen daher zwei aufeinanderfolgende Bilder gleichzeitig überlagert auf dem Schirm oder der Ebene des reellen Bildes. Die Drehung der Abtasteinrichtung bewirkt, daß eines der reellen Bilder des Filmbilds abgeschwächt wird, wenn das andere zu dominieren beginnt. Es läßt sich erkennen, daß lediglich ein einziges Bild projiziert wird, wenn die Normale zur Mitte eines Filmbildes parallel zur optischen Achse der Projektionslinse gemäß Fig. 2 ist. Wie sich der Fig. 2 weiter entnehmen läßt, ist das während der Drehung der Abtasteinrichtung durch die Spiegel erzeugte virtuelle Bild nur längs der Drehachse wahrhaft stabil, die virtuellen Bildpunkte außerhalb der Achse drehen sich mit derselben Frequenz

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wie die Abtasteinrichtung 4. Auf das projizierte reelle Bild wird dadurch ein Effekt ausgeübt, der dynamischer Trapezfehler (dynamisches Keystoning) genannt werden kann. Das heißt, der versetzte virtuelle Bildpunkt ist während einer Abtastbewegung gegenüber dem stationären Punktort relativ beweglich. Die Auswirkung der 'dynamischen Trapezfehlerbildung besteht darin, daß auf dem Schirm positionsabhängige Bewegungen des reellen Bildes hervorgerufen werden, die vom Betrachter wahrnehmbar sind und während irgendeiner Vergrößerung des virtuellen Bilds in die Ebene des reellen Bilds verstärkt werden. Als Gesamteffekt ergibt sich auf dem Schirm für das reelle Bild ein projiziertes reelles Bild, welches zu Beginn schräggestellt ist, allmählich koplanar mit dem Bildschirm wird und schließlich bezüglich des Bildschirms wieder in eine solche Richtung schräggestellt wird, die der ursprünglichen Schrägstellung entgegengesetzt ist. Der tatsächliche vom Betrachter wahrgenommene Bildeindruck besteht in einer geometrischen Streckung an den Ecken des projizierten reellen Bilds, die mit einem Verlust an Auflösung einhergeht. Diese vom Betrachter wahrgenommene Wirkung läßt sich als eine dynamische Trapezfehlerstörung definieren.

Der Fig. 2 läßt sich ferner entnehmen, daß der gekrümmte Filmstreifen 18 ein gekrümmtes virtuelles Bild um die Drehachse erzeugt. Die spezielle Wahl einer Filmoberfläche um eine Zentroidedes feststehenden Punktorts oder der Drehachse der Abtasteinrichtung ist wichtig, um eine seitliche Verschiebung des Bildes zu verhindern, die sich bei einer ebenen Filmebene ergeben würde. Bei der mathematischen Betrachtung der Abtasteinrichtung 4 wurden 24 Spiegelgruppen ausgewählt, so daß jede Facette einen Winkel von 15° von der Drehachse einschließt.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird festgestellt, daß die Abtasteinrichtung selbst die Quelle für die dynamische Trapezfehlerstörung darstellt, und daß dieser Effekt mit einer praktischen Abtast-Geometrie nur verringert, nicht jedoch eliminiert werden kann. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Minimierung durch die Ausbildung einer Projektionslinse und durch gesteuerte Wechselwirkung zwischen der Abtasteinrichtung 4 und dem Bestrahlungssystem bewirkt.

Mathematisch lassen sich die Abbildungseigenschaften der reflektierenden Polygon-Facetten durch eine Transformationsmatrix wiedergeben, die eine vier-mal-vier Elemente-Matrix verwendet, welche die Eigenschaften der reflektierenden Abtast-Facetten beschreibt. Es wird in diesem Zusammenhang auf die mathematische Untersuchung "Mirror-Image Kinematics" von Joseph S. Beggs, Journal of the Optical Society of America, Band 50, Nummer 4 (April 1960), Seiten 388 - 393,-verwiesen.

Ein Objektpunkt P(x,y,z) auf der Filmoberfläche kann mit seinem virtuellen Bildpunkt P'(x¹,y',z'), der an der oben geschilderten Position des virtuellen Bildes vorhanden ist, durch eine einfache Matrix-Transformation in Beziehung gesetzt werden. Für eine Dreispiegel-Abtasteinrichtung lautet diese Transformation:

1	1
X¹	-XcosO+ZsinO
Y¹	-Y
Z¹	Xsine-Zcosö

Diese mathematische Analyse ist gleichermaßen sowohl auf eine ebene reflektierende Facette oder einen 90°- Dach-Reflektor anwendbar, sie wird jedoch nachfolgend der Einfachheit halber für eine Abtasteinrichtung mit 90°-Dach-Reflektor durchgeführt.

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l-;ine störungsfreie Linse projiziert den virtuellen Bildpunkt Ρ'ΐχ',γ',ζ') in einen Punkt P"(x",y",z") auf dem Bildschirm durch die Matrix-Transformation:

X"	γιΓ	" m(X'	+Ζ'α')	χ·	m(Y'	+Z¹B')	Y¹
-„ !■	3"	α"	α'Ζ'	f	B¹	3'z¹	f
U		m	lti	• m	^f

Bei den obigen Ausdrücken bedeutet θ = Abtastdrehwinkel, m = Bildvergrößerung, f = Linsenbrennweite, und die Tangenswerte der Strahlwinkel sind durch oc > _r 3 * _r c*." und /3" gegeben.

Unter Beschränkung der Analyse auf den Hauptstrahl (der gleich dem mittleren Strahl des Strahlenfächers ist, welcher einen Bildpunkt konstruiert), lassen sich die Tangenswerte der Strahlwinkel ausdrücken als:

-X' Z'+t

3¹ ·=

-Y' z+t

Für ein Standard-Filmformat von 35 mm und eine typische Vergrößerung von 440 χ wurden die obigen Beziehungen für einen Drehwinkel von ί 7,5° aufgetragen.

Um diese analytischen Ergebnisse zu prüfen, wurde eine Rechneranalyse durchgeführt, um die außerhalb der Achse liegenden Spuren des reellen Bilds für verschiedene Entwurfsparameter vorherzusagen. Diese Darstellungen sagen die Bewegung des reellen Bilds auf dem Bildschirm grafisch voraus. Fig. 5 gibt diese Ergebnisse für eine

Dreispiegel-Abtasteinrichtung wieder, d.h. für eine Kombination aus Dach-Reflektor und ebener Facette, wobei eine ebene Filmoberfläche mit einer normalen Projektions-Linse auf eine ebene Schirmfläche projiziert wird.

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In die Gleichungen wurden typische Werte für ein 35 ram-Format bei einer Abtast-Auslenkung von - 7,5° und einer Vergrößerung von 440,0 eingesetzt. Die Schirmgröße betrug 9,2 χ 6,7 m. Die Darstellungen gelten für die Hauptstrahlspuren und geben die Art und die Größe der Bildverschlechterung an, welche sich bei nicht kompensierten Abtasteinrichtungen an der Kante des Bildschirms ergeben.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Abtasteinrichtung gegenüber der Vielzahl bekannter Spiegel-Abtasteinrichtungen besteht darin, daß die Objektoberfläche oder das Filmmedium ständig einen konstanten Abstand von der Drehachse der Abtasteinrichtung entfernt bleibt. Als Ergebnis dieses Merkmals wird ein größerer Teil des Bildformats während der Abtastdrehung stabilisiert. Die Objektoberfläche oder Filmkrümmung besitzt, wie sich erkennen läßt, ebenso wie das auf der Drehachse verwirklichte virtuelle Bild eine zylinderförmige Gestalt mit einem Krümmungsradius, der gleich dem Abtastradius ist.

Unter Bezugnahme auf Fig. 5 ist es wichtig, zu betonen, daß die Steigung der Fehlerkurven der reellen Bildbewegung am kleinsten ist, wenn der Abtastdrehwinkel ebenfalls klein ist. Ein Ziel der Erfindung ist es daher, den Einfluß der Bewegungsfehler auf das reelle Bild auf ein Minimum zu reduzieren, im Gegensatz zu dem Versuch, diesen Einfluß zu eliminieren. Das reelle Bild wird daher im gesamten Bildschirm scharf fokussiert gehalten, wenn der Abtastdrehwinkel klein ist. Die Projektionslinse 6 der vorliegenden Erfindung ist dann derart ausgelegt, daß sie ein zylindrisches Objekt auf einen ebenen Schirm projiziert. Es sei darauf verwiesen, daß das projizierte reelle Bild am hellsten ist, wenn der Abtastdrehwinkel qegen Null geht.

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Durch Verwendung einer zylindrischen Filmoberfläche in Verbindung mit Komponenten der Projektionsoptik, die ein Bildfeldebnungselement verwenden, welches dazu dient, die zylindrische Filmoberfläche auf einen ebenen Projektionsschirm zu projizieren und dabei eine scharfe Einstellung über das gesamte Betrachterfeld aufrechtzuerhalten und gleichzeitig geometrische Störungen zu eliminieren, wird eine minimale Bildverschlechterung erzielt. Es wurden zwei Ausführungsformen gefunden, welche diese Bedingungen erfüllen: Eine Projektionslinse mit einem zylindrischen oder toroidalen Bildfeldebnungselement oder eine Übertragungslinse mit einem zylindrischen oder toroidalen Bildfeldebnungselement in der Ebene des übertragenen Bilds. Ein Projektionssystem, welches reelle Bilder von den virtuellen Bildern erzeugt, soll daher eine Objektbildkrümmungs-Charakteristik besitzen, die der Krümmung der Filmoberfläche komplementär ist, um die relative Bewegung der versetzten reellen Bildpunkte auf ein Minimum zu reduzieren.

Es sei darauf hingewiesen, daß die in Fig. 5 dargestellte relative Bewegung relativ klein im Vergleich zur Schirmgröße ist, und aufgrund von Auswirkungen des Bestrahlungssystems und von Fokussiereffekten werden nur etwa 4 Grad der Abtastdrehung klar auf dem Schirm fokussiert. Das Maß an Bewegung beträgt nur etwa 1 cm an der Kante des Bildformats für einen 440-fach vergrößernden Schirm und stellt weniger als eine Bogenminute bei der Projektionslinse dar.

Eine Bogenminute stellt normalerweise die Wahrnehmungsgrenze dar bei einer menschlichen Betrachtung ohne Hilfsmittel. Natürlich haben die Zuschauer einen kleineren Abstand, aber 3 bis 4 Minuten an Bildbewegung sollten in den meisten Projektoranwendungen nicht bemerkbar sein.

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Wichtig ist, daß die Linse dort fokussiert ist, wo die Bildbewegungsänderungen am kleinsten sind. Die obige Analyse des Orts des Hauptstrahls als Funktion des Rotationswinkels wird nun ergänzt durch eine Analyse der Position der besten Fokussierung, die von allen um den Hauptstrahl herum konvergierenden Strahlen erzielbar ist. Diese Analyse liefert den Einfluß der Position der Bestrahlungsquelle auf die sichtbare Bewegung des reellen Bildes.

Während sich die Abtasteinrichtung dreht, dreht sich das virtuelle Bild der Filmoberfläche um die Abtastdrehachse mit derselben Winkelgeschwindigkeit und derselben Winkelbewegung wie die Abtasteinrichtung. Ein von einem Punkt P¹ (χ',ν',ζ¹) auf der virtuellen Bildfläche abgehendes divergierendes Strahlenbündel wird an einem Punkt P"(x",y",z") in der Nähe des ProjektionsSchirmes gemäß den parametrischen Ausdrücken erster Ordnung fokussiert:

Y" = mhcose , Z" = -m²hsin9

1 - (mhsinj)) 1 - (mhsin9) f f

Es sei bemerkt, daß das Verhältnis

Z"

ψτ = -mtanB = -tanG'

die Scheimpflug-Bedingungen für schräggestellte Bilder ist. In anderen Worten wird das Bild einer um einen Winkel θ schräggestellten ebenen Objektoberfläche auf einer schräggestellten ebenen Oberfläche scharf abgebildet, die den Schrägstellwinkel Θ¹ besitzt, der durch die obige Gleichung bestimmt ist.

Der Ort der während der Umdrehung der Abtasteinrichtung erzeugten scharf fokussierten Punkte wird dadurch bestimmt,

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daß die Abhängigkeit von θ innerhalb der obigen Gleichun gen eliminiert wird.

Z" -

h^zm

h²/

hV/h^:

^² .mV

= 1

Der Ort der scharf fokussierten Punkte ist daher einfach ein konischer Schnitt, dessen Ursprungs-Koordinaten gegeben sind durch:

Z" = ^h2m

Diese Beziehungen sind in Fig. 6 für den Fall h²/f²> 1/m² grafisch dargestellt. Die physikalische Interpretation ist von erheblicher Bedeutung. Das vom Punkt P¹(χ',γ',ζ¹) abgehende Strahlenbündel ist auf dem Bildschirm scharf fokussiert, wenn der Abtastwinkel Null beträgt, mit zunehmendem Abtastdrehwinkel wird das Strahlenbündel längs eines hyperbolischen Orts scharf fokussiert und divergiert, bis es auf den Schirm auftrifft. Dies bedeutet, daß die Unscharfe des reellen Bilds auf dem Schirm sowohl größer wird als auch sich zu bewegen scheint, wenn der Abtastdrehwinkel erhöht wird. Die Vergrößerung der Unscharfe-Zone kann wesentlich reduziert werden, und die Bewegung der Bildunschärfe kann dadurch auf ein Minimum reduziert werden, daß Projektionsoptik-Baukomponenten gewählt werden, die telezentrische Eigenschaften besitzen, und daß spezielle Bestrahlungsoptik-Baukomponenten gewählt werden, welche die Filmbildbestrahlung/ die Größe der Lichtbogenquelle und die Abmessungen der Eintrittspupille derart koordinieren, daß die effektive Übertragung eines Strahlenbündels vom versetzten virtuellen Bildpunkt auf im wesentlichen eine tangentielle Grenzfläche beschränkt ist,

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die eine Oberfläche aus fokussierten Punkt-Positionen des reellen Bilds besitzt. Diese Oberfläche ist repräsentativ für die tatsächliche Drehabtastbewegung der projizierten versetzten reellen Bildpunkte, die im Raum erzeugt werden. Diese Bedingung der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 7 gezeigt.

Wenn diese Bedingung erfüllt ist, erscheint das Bild über den gesamten Bereich des Abtastdrehwinkels stationär, es wird jedoch zunehmend weicher fokussiert. Da das Bild am schärfsten ist, wenn der Abtastwinkel in der Nähe von Null ist, und da die Änderungsrate der Fokussierung (und der Bildbewegung) am kleinsten ist, wenn der Abtastdrehwinkel in der Nähe von Null ist, wird das vom Betrachter wahrgenommene Bild stabil und fokussiert erscheinen.

Zusätzlich müssen die Projektionsoptik-Baukomponenten die Bedingung erfüllen, daß ihre Anordnung telezentrisch ist, um die Forderung zu erfüllen, daß der Hauptstrahl tangential zum hyperbolischen Ort verläuft. Telezentrizität bedeutet, daß der Hauptstrahl der Projektionslinse parallel zur optischen Achse der Linse auf der Objektseite sein muß. Je größer die Abweichung von der Telezentrizität, desto stärker wird die sichtbare Bildbewegung auf dem Schirm.

Fig. 10 zeigt eine Lösung für die Projektionslinse, bei der eine Toroid-Bildfeldebnungslinse 40 dem Film 18 benachbart ist. Eine Astigmatismus-Korrekturlinse 42 vervollständigt eine Tessar-Projektionslinse 44.

Die Wahl der Projektionsoptik-Baukomponenten wird durch die speziellen Bestrahlungsoptik-Baukomponenten ergänzt, die ausgewählt werden, um die dynamische Trapezfehlerbildung

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weiter zu reduzieren. Das Bestrahlungs-Untersystem 8 liefert Korrekturen auf zwei verschiedenen Wegen; erstens kann im Zusammenwirken mit einer telezentrischen Projektionslinse das Bestrahlungssystem das Strahlenbündel auf ein enges Bündel begrenzen, das um den tangentialen Strahl an den Hyperbelort der scharf fokussierten Punkte zentriert ist; zweitens können die Lampe und die Bestrahlungsoptik-Baukomponenten selektiv das Strahlenbündel vignettieren, welches an den Schirm projiziert wird.

Ein drei Spiegel-Bestrahlungsoptik-System ist aufgrund der Tatsache einzigartig, daß es auf die Zusammenarbeit mit der speziell verwendeten Abtasteinrichtung zugeschnitten ist. Besitzt zum Beispiel die drei Spiegel-Abtasteinrichtung das Bild des Lampenbogens an der Eingangsblende der Projektionslinse, so veranlaßt die Abtasteinrichtung das Bild der Bogenlampenquelle, sich durch die Eingangsblende hindurchzubewegen, während die Abtasteinrichtung sich dreht. Eine Matrix-Transformation kann den Zusammenhang zwischen einem festen Punkt auf der Bogenlampenquelle und dem in die Eingangsblende der Projektionslinse projizierten Bildes liefern, wenn die Spiegel-Abtasteinrichtung gedreht wird. Wie aus der Rotationsfolge bestimmt werden kann, die in den Fig. 3 und 4 für eine drei Spiegel-Abtasteinrichtung (planare Facette plus Dach-Reflektor) und in den Fig. 8 und 9 für eine zwei Spiegel-Abtasteinrichtung (planare Facette auf den oberen und unteren Polygon-Abtastelementen) dargestellt sind, liefern die Bestrahlungsoptik-Baukomponenten eine bestimmte Wechselwirkung mit der Abtasteinrichtung und den Projektionsoptik-Komponenten, um selektiv verschiedene Bereiche des reellen Bilds jedes Filmbilds derart zu belichten, daß die Lichtübertragung in dem Bereich fortschreitend abnimmt, in welchem die relative Bewegung des versetzten reellen Bildpunkts zunehmend größer wird.

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Dies läßt sich mathematisch durch eine Matrix-Transformation nachvollziehen, welche den Quellenpunkt und sein Bild in der Eingangsblende der Projektionslinse auf folgende Weise verknüpft.

1	1	oder	X¹ =	-X+rsinO
X¹	-X+rsinO		γ I	-Y
Y¹	-Y		Z¹ =	-Z-rcosO
Z¹	-Z-rcosG

Die physikalische Bedeutung der obigen Ausdrücke besteht darin, daßjkeine kreuzweise Abhängigkeit zwischen x¹ und z¹ vorhanden ist (was bedeutet, daß das Bild nicht im Raum gedreht wird). Die mit x¹ und y¹ verbundenen negativen Vorzeichen bedeuten, daß das Bild im Raum sowohl invertiert als auch seitenverkehrt wird. Der Term r·sin9 im Ausdruck für x' bedeutet, daß das Bild des Lampenbogens um diesen Betrag in der Eingangsblende der Projektionslinse versetzt ist, während der Term r-cosö im Ausdruck für.'z'" bedeutet, daß das Bild des Lampenbogens längs der optischen Achse um diesen sehr kleinen Wert bewegt wird. Der Gesamteffekt für den Dreispiegel-Aufbau, der durch die obige Beziehung beschrieben wird, besteht darin, daß das Bild des Lampenbogens über die Eingangsblende der Projektionslinse versetzt ist, daß es jedoch nicht im Raum gedreht wird. Aufgrund dieser neuen Anordnung ist es möglich, eine Bogenlampe und ein Kondensorelement derart auszuwählen, daß das Bild der Lampe immer innerhalb der Eingangsblende der Projektionslinse liegt, während eine Vignettierung das Strahlenbündel, welches den Film bestrahlt, auf diejenigen Strahlen beschränkt, die durch die Projektionslinse längs 4er Tangente an den hyperbolischen Ort der best fokussierten Punkte fokussiert werden.

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Die experimentelle Bestrahlungsoptik-Anordnung, welche die obige Gruppe von Bedingungen am besten erfüllt, war eine HMI-Wechselstrombogenlampe mit einer Bogenlänge von 12 mm, die mit Kondensorelementen kombiniert wurde, welche den Bogen derart vergrößern, daß dessen Bild gerade die Eingangsblende der Projektionslinse ausfüllte, wenn die Abtasteinrichtung einen Drehwinkel vom Wert Null einnimmt. Die Achse des Bilds des Bogens muß in derjenigen Richtung liegen, in der sich der Film bewegt, so daß das Bild des Bogens in einer Weise abgeblendet werden kann, die die dynamische Trapezfehlerbxldung (dynamic keystone aberration) auf ein Minimum reduziert.

Die Fig. 3, 4, 8 und 9 zeigen die Vignettjerungsowohl für die drei Spiegel-Facette als auch die zwei Spiegel-Facetten-Abtastgeometrie. Diese Darstellungen zeigen, wie das versetzte Bild des Lampenbogens, das gedrehte virtuelle Bild des Films, die wirksame Facettenapertur und die feste Eingangsblende der Projektionslinse kombiniert werden, um das Strahlenbündel mit zunehmendem Rotationswinkel', zu vignettieren.

Die virtuellen Filmbilder drehen sich, wie schon erwähnt, um die Mittellinie der Abtasteinrichtung. Das Bild der Bogenlampe des Bestrahlungssystems wird jedoch in Richtung der Bewegung der Abtasteinrichtung versetzt. Während die Kanten des augenblicklichen Filmbildes mit zunehmender Abtastdrehung die Scharfeinstellung verlassen, wird das Bild der Bogenlampenquelle derart versetzt, daß die Ausblendung, welche durch die wirksame Facetten-Apertur des Abtastspiegels eingeführt wird, nur den oberen Teil des Bilds des Bogens auf den unteren Teil der Eintrittsblende der Projektionsoptik gelangen läßt; dadurch, daß die Blendenabmessung gleich der Abmessung des Filmbildes gewählt wird, kompensiert diese Versetzung der Bogenlampe

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qerade die dynamische Trapezfehlerbildung, da sie nur ein begrenztes Strahlenbündel durch die Eingangsblende der Projektionslinse hindurchläßt, welches längs der Tangente an den hyperbolischen Ort der Bestfokussierung fokussiert ist.

Ferner sind weitere Effekte vorhanden, die die Qualität des wahrgenommenen Schirmbildes beeinflussen. Mit zunehmendem Drehwinkel der Abtastung wird das Bild in demselben Maß unscharf, in dem die Bestrahlungssystem-Vignettierung die Helligkeit des Schirms verringert. Zusätzlich nimmt die Bestrahlung des Filmbilds von einem Maximum an der Kante auf ein Minimum an der anderen Kante ab. Diese "Schattierung" wird durch die Anordnung der Bogenlampe und der Kondensorelemente erhöht, so daß die minimale Bestrahlung auftritt, wenn die Filmdefokussierung den größtmöglichen Wert besitzt.

Wie aus den Fig. 8 und 9 ersichtlich ist, ist ein Zwei-Spiegel-Abtastaufbau möglich, wenn durch Erhöhung der· Kondensorgröße und einer Verringerung der Brennweite des Kondensors die Bestrahlung von drei vollen Bildern sichergestellt ist.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß die vorliegende Erfindung durch die Erkenntnis bedingt ist, daß eine praktische Anordnung von Reflexions- und/oder Brechungs-Abtasteinrichtungen eine dynamische Trapezfehlerbildung zur Folge hat, und daß die Größe des Fehlers nur in geringem Umfange dadurch verringert werden kann, daß die Zahl der Abtast-Facetten erhöht wird. Die vorliegende Erfindung liefert daher spezielle Projektionsoptik und Bestrahlungsoptik, die zusammenwirkt, um die Wahrnehmung eines dynamischen Trapezfehlers durch den Betrachter im reellen Bild selbst bei der Vergrößerung von kommerziellen Filmprojektionen zu verhindern.

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Die Betrachtung des Orts des Schnittpunktes der Hauptstrahlen mit einer Oberfläche bester Fokussierung zeigt, daß das reelle Bild auf dem Schirm während derjenigen Zeit scharf fokussiert gehalten wer-den muß, während der der Drehwinkel der Abtastung nahe Null ist; dies ergibt sich aus der Tatsache, daß die Bildbewegung für einen großen Winkelbereich um den Drehwinkel Null herum klein bleibt und für die kurze Zeit, während der der Drehwinkel der Abtastung seinen Maximalwert erreicht, relativ groß wird. Um eine scharfe Fokussierung über das gesamte Filmbild während derjenigen Zeit zu erhalten, während der der Drehwinkel der Abtastung nahezu Null ist, muß entweder ein zylindrisches oder ein toroidförmiges Bildebnungselement verwendet werden, um das zylindrische Filmbild auf einen ebenen Schirm zu projizieren. Die Filmaufzeichnung soll bevorzugt zylindrisch und nicht eben sein, und das Bildebnungselement soll derart ausgelegt sein, daß durch dieses Element keine weiteren Fehler eingeführt werden, die zu den Bildbewegungsfehlem beitragen würden.

Es sei darauf hingewiesen, daß die spezielle Auslegung der Projektorlinse nach den Erfordernissen der speziellen Verwendung des kontinuierlichen Projektors der Erfindung erfolgen kann, und die vorliegende Erfindung ist nicht auf die hier angeführten speziellen Beispiele beschränkt.

Die folgenden Bedingungen liefern dem Optik-Entwerfer eine genügende Handhabe, um eine spezielle Projektionslinse festzulegen:

1. Die Linse muß den Film scharf abbilden, wenn der Film und die Abtast-Facette in der "Kopf"-Stellung liegen. Dies bedeutet, daß die Linse in der Lage sein muß, ein zylindrisches Bild eben abzubilden. In der Nähe des Films sind

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Bildebnungseinrichtungen unerwünscht, da Kratzer oder Staub projiziert werden könnten.

2. Die Linse muß eine genügende rückseitige Brennweite besitzen, um die Abtasteinrichtung freizuhalten und den Film scharf abzubilden, d.h. die rückseitige Brennweite muß gleich dem Radius des Abtastrades oder größer sein.

3. Die Ausgangsblende der Projektionslinse soll gleich der Größe des Filmformats sein.

4. Eine minimale dynamische Trapezfehlerbildung ergibt sich, wenn die Linse auf der Filmseite telezentrisch ist.

5. Zusätzlich sollten Streulichtblenden in der Linse oder der Abtasteinrichtung vorhanden sein, um Geisterbilder zu eliminieren.

6. Die numerische Apertur (f-Zahl) wird durch die Zahl der Facetten bestimmt. Je größer die Zahl der Facetten, um so langsamer muß die Projektionslinse sein.

Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung für die Projektionsoptik, welche diese Bedingungen erfüllen, bestehen entweder (1) aus einem zylindrischen oder toroidalen Bildebnungselement, welches in einer Projektionslinse vorgesehen wird und in enger Nachbarschaft zur Filmaufzeichnung angeordnet ist, oder (2) einer Übertragungslinse mit einem zylindrischen oder toroidalen Element, welches in enger Nachbarschaft zu der übertragenen Bildoberfläche angeordnet ist, so daß jede kommerzielle Projektionslinse zur Projektion der übertragenen Bildfläche auf den Bildschirm verwendet werden kann.

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-W-

Leerseite

Claims

Ulrich M. Frxtzler, 65-15 Booth Street, Rego Park, New York 11374 (V. St. A.) Drehbares optisches Abtastsystem Ansprüche

1. Drehbares optisches Abtastsystem zur kontinuierlichen Übertragung von mindestens zweidimensionalen aufeinanderfolgenden Bildern auf ein Medium, z.B. einen Film, wobei jedes Objektbild als aus einer Vielzahl diskreter Punkte zusammengesetzt angesehen werden kann, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (28) , eine Einrichtung (4,6,8) zur Erzeugung virtueller Bilder von aufeinanderfolgenden Objekten, wobei mindestens ein virtueller Bildpunkt jedes Objekts an einem stationären Punktort positioniert ist und mindestens ein weiterer virtueller Bildpunkt vom stationären Bildpunktort versetzt und während der Abtastbewegung relativ beweglich ist, eine Einrichtung (20, 22) zur kreisförmigen Krümmung des Films (18) um eine SSentroide des stationären

WR/il

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Π JÜOO BREMEN 1 · EDUARD-GRUNOW-STRASSE 27 ■ TELEFON ( 0421 ) "7 20 48

ORIGINAL INSPECTED

Punktorts.während die Lichtquelle übertragen wird, und eine Projektionseinrichtung (6) zur Erzeugung reeller Bilder aus dem virtuellen Bild, die eine Objektbild-Krümmungscharakteristik besitzt, welche der Krümmung der Filmoberfläche komplementär ist, um die relative Bewegung des reellen versetzten Bildpunkts auf ein Minimum zu verringern, und um ein reelles zusammengesetztes Bild zu projizieren, welches eine wahrnehmbare stabile Übereinstimmung zwischen Film und projiziertem reellem Bild aufweist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (28) eine längliche Bogenlampe ist, deren Längsachse in derselben Richtung wie die Richtung der Filmbewegung liegt.

3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (4) zur Erzeugung der virtuellen Bilder eine Reflexions-Polygonabtasteinrichtung ist.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexions-Polygonabtasteinrichtung (4) eine Vielzahl ebener reflektierender Facetten (10, 12) enthält.

5. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexions-Polygonabtasteinrichtung eine Vielzahl aneinander angepaßter reflektierender Facetten (10,12) enthält, und daß mindestens eine Gruppe reflektierender Facetten als Dachreflektoren ausgebildet ist.

6. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung (6) eine telezentrische Charakteristik besitzt, um eine Lage des das Bild definierenden Hauptstrahls hervorzubringen, die der optischen Achse der Projektionseinrichtung parallel ist.

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7. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung (6) eine Projektionslinse (6) und eine Apertur auf der reellen Bildseite der Projektionslinse besitzt.

8. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Streulichtblenden vorgesehen sind, um Geisterbilder in der Nähe des projizierten reellen Bildes zu beseitigen.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Polygon-Abtasteinrichtung (4) eine Vielzahl reflektierender Facetten und Streulichtblenden zwischen sich entsprechenden Facetten enthält.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtblenden radiale Speichen (22) sind.

11. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle einen Kondensor mit mindestens der doppelten Größe eines Objektbilds enthält.

12. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (28) einen Kondensor mit mindestens der dreifachen Größe eines Objektbilds enthält.

13. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung (6) eine Übertragungslinse
zur Erzeugung eines stabilen reellen Bilds und eine
herkömmliche Projektionslinse zur Erzeugung eines projizierten reellen Bilds enthält.

14. Drehbares optisches Abtastsystem zur kontinuierlichen übertragung von mindestens zweidimensionalen aufeinanderfolgenden Bildern von einem Medium, z.B. einem Film,
wobei jedes Bild aus einer Vielzahl diskreter Punkte

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zusammengesetzt gebildet ist, gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (28) , eine Einrichtung (4) zum Übertragen virtueller Bilder aufeinanderfolgender Filmbilder, die durch die Lichtquelle (28) bestrahlt werden, wobei mindestens ein virtueller Bildpunkt jedes Filmbildes an einem stationären Punktort positioniert ist und mindestens ein weiterer virtueller Bildpunkt vom stationären virtuellen Bildpunktort versetzt ist und während der Abtastbewegung relativ bewegbar ist, eine Einrichtung (6) zur Erzeugung reeller Bilder aus dem virtuellen Bild,und eineVignettierexnrichtung zur selektiven Bestrahlung verschiedener Bereiche des reellen Bilds jedes Filmbilds, derart, daß Lichttransmission zunehmend im Bereich jedes Filmbildes verringert wird, wenn die Relativbewegung des versetzten reellen Bildpunkts zunehmend größer wird.

15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (6) zur Erzeugung des reellen Bilds eine Projektionslinse (6) enthält, die eine Eingangsblende besitzt, daß die Einrichtung (4) zum Übertragen der virtuellen Bilder eine bewegliche Abtasteinrichtung enthält, die bewirkt, daß ein Bild der Lichtquelle (28) sich durch die Eingangsblende der Projektionslinse (6) bewegt, während sich die Abtasteinrxchtung bewegt.

16. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (4) zur Übertragung virtueller Bilder eine bewegliche Abtasteinrichtung mit einer Vielzahl reflektierender Facetten (10, 12) enthält, daß die Bewegung der Abtasteinrichtung bewirkt, daß ein Bild der Lichtquelle (28) sich durch die effektive Apertur der reflektierenden Facette bewegt.

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17. System nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (4) zur Übertragung virtueller Bilder eine Vielzahl reflektierender Facetten (10, 12) enthält, die die Lichttransmission derart abdecken oder vignettieren, so daß sich die Lichtstrahlen längs der Tangente an die Oberfläche scharf fokussierter reeller Bildpunktpositionen fokussieren, wobei diese Oberfläche für eine effektive Drehabtastbewegung des projizierten versetzten reellen Bildpunkts kennzeichnend ist.

18. Drehbares optisches Abtastsystem zur übertragung von mindestens zweidimensionalen aufeinanderfolgenden Bildern von Objekten, wobei die Bilder als aus einer Vielzahl diskreter Punkte zusammengesetzt betrachtbar sind, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung virtueller Bilder aufeinanderfolgender Objekte, wobei mindestens ein virtueller Bildpunkt jedes Objekts an einem stationären Punktort positioniert ist, und mindestens ein weiterer virtueller Bildpunkt vom stationären virtuellen Bildpunktort versetzt und während einer Abtast.-bewegung relativ beweglich ist, eine Einrichtung (6) zur Erzeugung reeller Bilder von dem virtuellen Bild, und eine Einrichtung (Fig. 7) zur Begrenzung der wirksamen Transmission eines Strahlenbündels des versetzten virtuellen Bildpunkts von einem Objekt auf eine im wesentlichen mit der Oberfläche der fokussierten reellen Bildpunktpositionen tangentiale Grenzfläche _t wobei die Oberfläche für die effektive Drehabtastbewegung des projizierten versetzten reellen Bildpunkts kennzeichnend ist, wodurch die resultierende Transmissions -. deckung von Objekt und reellen Bildpunkten für den Betrachter wahrnehmbar stabil ist.

19. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle ein Bestrahlungssystem und eine Einrichtung

zur Bewegung des aufeinanderfolgende Bilder der Objekte enthaltenden Filmmediums durch das Bestrahlungssystem enthält.

20. System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,

daß das Bestrahlungssystem (8) eine längliche Lichtquelle (28) enthält, deren Längsachse in Richtung der Filmbewegung ausgerichtet ist.

21. System nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Übertragung virtueller Bilder eine Reflexions-Polygonabtasteinrichtung (4) ist.

22. System nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexions-Polygonabtasteinrichtung eine Vielzahl planarer reflektierender Facetten (10, 12) enthält.

23. System nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexions-Polygonabtasteinrichtung eine Vielzahl aufeinander angepaßter reflektierender Facetten (10, 12) enthält, und daß mindestens eine Gruppe reflektierender Facetten Dach-Reflektoren sind.

24. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung (6) eine telezentrische Charakteristik besitzt, um den das Bild definierenden Hauptstrahl parallel zur optischen Achse der Projektionseinrichtung (6) auszurichten.

25. System nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektionseinrichtung (6) eine Projektionslinse und eine Apertur auf der reellen Bildseite der Projektionslinse enthält.

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26. System nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß Streulichtblenden zur Beseitigung von Geisterbildern neben dem projizierten reellen Bild vorgesehen sind.

27. System nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Polygon-Abtasteinrichtung (4).eine Vielzahl reflektierender Facetten (10,12) enthält, und daß die Streulichtblenden (22) zwischen den entsprechenden Facetten angeordnet sind.

28. Drehbares optisches Abtastsystem zur kontinuierlichen Transmission von mindestens zweidimensionalen aufeinanderfolgenden Bildern von Objekten, die als aus einer Vielzahl von diskreten Punkten zusammengesetzt angesehen werden können, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (4) zur Erzeugung virtueller Bilder aufeinanderfolgender Objekte, wobei mindestens ein Bildpunkt jedes Objekts an einem stationären Punktort positioniert ist und mindestens ein weiterer Bildpunkt vom stationären virtuellen Bildpunktort versetzt ist und während einer Abtastbewegung relativ bewegbar ist, und eine telezentrische Projektionslinsenanordnung (6) zur Erzeugung reeller Bilder aus dem virtuellen Bild, wobei der erzeugte versetzte reelle Bildpunkt im wesentlichen nur eine Radialkomponente bezüglich einer ebenen Bildebene besitzt und jegliche Tangentialkomponente des reellen Bildpunkts durch die konstante Vergrößerungscharakteristik der telezentrischen Eigenschaften verhindert werden.

29. System nach Anspruch 1, zur Projektion aufeinanderfolgender reeller Bilder längs einer optischen Achse, gekennzeichnet durch eine bewegliche Abtasteinrichtung (4) zur Faltung der optischen Achse und Erzeugung eines virtuellen Bilds, eine Projektionseinrichtung (6) zur Erzeugung eines reellen Bilds aus dem virtuellen Bild, wobei

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die Projektionseinrichtung (6) eine telezentrische Charakteristik besitzt, so daß die Hauptstrahlen parallel zur optischen Achse im Objektraum sind, und eine Bestrahlung seinrichtung (8), um eine Lichtquelle selektiv an verschiedenen Bereichen des reellen Bilds derart zu verwirklichen, daß die Lichttransmission.durch die Abtasteinrichtung (4) und die Projektionseinrichtung (6) in dem Bereich des reellen Bilds fortschreitend abnimmt, der das größte Maß an Defokussierung und Bildbewegung besitzt.

30. System zur Unbewegbarmachung von Bildern, um aufeinanderfolgende Objekte in reelle Bilder längs einer optischen Achse zu übertragen, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (20,22) zur bewegbaren Anbringung eines mit sequentiellen Bildern versehenen Mediums in eine um eine Drehachse gekrümmte Stellung, eine Lichtquelle (28), die mindestens zwei volle Bilder im gekrümmten Bereich des Mediums bestrahlt, eine Abtasteinrichtung (4) zur Erzeugung eines virtuellen Bilds von jedem Bild des Mediums, so daß mindestens ein Bildpunkt jedes Bilds des Mediums an einem stationären Punktort positioniert ist, um eine aufeinanderfolgende Übereinstimmung der Bilder des Mediums zu erzielen, wobei die Drehachse mit der Drehachse der gekrümmten Lage des Mediums zusammenfällt, eine Projektionseinrichtung (6) zur Erzeugung eines reellen Bilds von dem virtuellen Bild, wobei die Projektionseinrichtung (6) eine telezentrische Charakteristik besitzt, aufgrund derer die Hauptstrahlen im Objektraum parallel zur optischen Achse verlaufen, und wobei die Projektionseinrichtung eine rückseitige Brennweite aufweist, die im wesentlichen mit dem feststehenden Punktort zusammenfällt, und wobei die Projektionseinrichtung eine Einrichtung zur Komplementierung der gekrümmten Form des Mediums enthält, und Einrichtungen, um die Lichtenergie selektiv

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zu vignettieren oder abzudunkeln, so daß die Lichttransmission zum reellen Bild zunehmend in dem Bereich des reellen Bilds verringert wird, der das größte Maß an Defokussierung aufweist, wodurch der Betrachter eine stehende Deckung aufeinanderfolgender reeller Bildprojektionen wahrnimmt.

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