DE3644354C2 - - Google Patents
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Description
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 l₄₁ und l₄₂.
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, -h₁)
B3 = (mx, -1/2, h₂)
B4 = (mx, -1/2, -h/2)
B2 = (x, 1/2, -h₁)
B3 = (mx, -1/2, h₂)
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, -h₁)
B3 = (-mx, -1/2, h₂)
B4 = (-mx, -1/2, -h/2)
B2 = (x, 1/2, -h₁)
B3 = (-mx, -1/2, h₂)
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.
Claims (17)
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. 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. Projektionssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die optischen Elemente Umlenkspiegel sind.
4. Projektionssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die optischen Elemente Prismenelemente
(126, 127) sind.
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. 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. 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. 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. Projektionssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungssysteme
(111, 112, 113, . . .) in derselben Ebene angeordnet
sind.
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. Projektionssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5
und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ablenkeinheiten
mehrere Reihen mit mehreren optischen Elementen umfassen.
12. Projektionssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
daß die den mehreren Reihen zugeordneten Teilbereiche
auf der Objektebene (1) in einer Linie angeordnet
sind.
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. 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. 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. Projektionssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die optischen
Weglängen aller Abbildungssysteme (111, 112, 113, . . .)
einander gleich sind.
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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