DE60225867T2

DE60225867T2 - Abbildendes optisches Gerät

Info

Publication number: DE60225867T2
Application number: DE60225867T
Authority: DE
Inventors: Kenji Horikawa-dori Kamikyo-ku Ueyama
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-05-14
Filing date: 2002-05-03
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2022-05-04
Also published as: JP3710724B2; EP1637909A2; US6927924B2; EP1258743A3; EP1637909A3; EP1258743B1; US6816237B2; JP2002341222A; US20050083587A1; US20020167652A1; EP1637909B1; EP1258743A2; DE60225867D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. TECHNISCHES UMFELD
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Abbildungsinstrument zur Abbildung des Lichtes von einem Objekt auf einer Aufzeichnungsoberfläche.
2. ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Im Allgemeinen umfasst ein solches optisches Abbildungsinstrument eine Öffnungsblende, welche zur Begrenzung von Strahlen, die zur Bildentstehung mitwirken, in einem optischen System angeordnet ist, um ein herausragendes Abbildungsergebnis sicher zu stellen oder um eine erforderliche Fokustiefe sicher zu stellen. Eine solche Öffnungsblende ist aus einer Licht abschirmenden Platte aus Metall oder Plastik ausgebildet, welche eine runde oder polygonale Öffnung abgrenzt. Die Öffnungsblende ist innerhalb eines verschlossenen Raumes befestigt, welcher von Linsen und einem Gehäuse, welches die Linsen hält, abgegrenzt ist.
Wo zum Beispiel Hochleistungslaser als Lichtquellen verwendet werden, um Licht zur Ausbildung von Bildern auf einer Aufzeichnungsfläche abzugeben, tritt Licht auf energiereichem Niveau in das optische Instrument von den Objekten ein. In einem solchen Fall wird die Öffnungsblende in Folge der Abschirmung des energiereichen Lichtes auf eine hohe Temperatur erwärmt.
Die Wärme der Öffnungsblende erreicht den Objektivtubus durch thermische Leitung und kann den Objektivtubus gebietsweise verformen. Eine solche Verformung stört das einwandfreie Lagerungsverhältnis zwischen den Linsen, wodurch die Abbildungsleistung gemindert wird. Die Wärme der Öffnungsblende, welche den Innenraum des Ob jektivtubus durch Konvektion der Wärme füllt, erwärmt und weitet den gesamten Objektivtubus. Das ruft eine Abbildungspositionsverschiebung entlang der optischen Achse hervor. Mit einem weiteren Anstieg der Temperatur der Öffnungsblende kann die Öffnungsblende selbst schmelzen oder verdampfen, wodurch ihre Licht abschirmende Funktion verloren geht.
Die Bewältigung des Problems ist durch die Anordnung absehbar, dass die Öffnungsblende unabhängig von dem Objektivtubus gehalten wird. Wo ein solcher Aufbau verwendet wird, sind Oberflächen der Linsen, die vorne und hinten an der Öffnungsblende angeordnet sind, der Atmosphäre außerhalb des Objektivtubus ausgesetzt. Folglich könnten Staub und Ähnliches, die in der Atmosphäre vorhanden sind, an den Oberflächen der Linsen anhaften, wodurch die optische Wirksamkeit verringert wird.
Aus US-A-5 364 493 ist ein optisches Abbildungsinstrument gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 4 und 7 bekannt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Deshalb ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Abbildungsinstrument zur Verfügung zu stellen, welches geeignet ist, einen Anstieg der Temperatur einer Öffnungsblende wirksam zu vermeiden.
Die obige Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein optisches Abbildungsinstrument, wie beansprucht in Ansprüchen 1, 4 und 7 gelöst.
Dieses optische Abbildungsinstrument ist geeignet, einen Anstieg der Temperatur einer Öffnungsblende und eines Objektivtubus wirksam zu vermeiden.
Andere Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum Zweck der Veranschaulichung der Erfindung sind in den Zeichnungen einige Ausführungsformen gezeigt, welche momentan bevorzugt sind. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung nicht auf die exakte Anordnung und Mittel, welche gezeigt sind, beschränkt ist.
1 ist eine seitliche Schnittansicht eines optischen Abbildungsinstruments einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und
2 ist eine Erläuterungsansicht von Öffnungsblenden.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine seitliche Schnittansicht eines optischen Abbildungsinstruments einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
Dieses optische Abbildungsinstrument ist ausgebildet, um zu bewirken, dass Licht, welches von einer Vielzahl benachbart zueinander angeordneter Lichtquellen 2 abgegeben wird, ein Objekt auf Aufzeichnungsflächen 8 aus lichtempfindlichen oder thermosensitiven Material abbildet. Das optische Abbildungsinstrument umfasst einen Objektivtubus 3, welcher eine Linse 4, die benachbart zum Eintrittsende des Objektivtubus 3 angeordnet ist, und eine Linse 5, die benachbart zum Austrittsende des Objektivtubus 3 angeordnet ist, enthält, um als zweiseitig telezentrisches optisches System zu fungieren, sowie eine Öffnungsblende 7. Dieses optische Abbildungsinstrument wird zum Beispiel in einer Bildaufzeichnungsvorrichtung verwendet, welche durch Abtas ten des lichtempfindlichen oder thermosensitiven Materials mit Strah len, welche in Bildsignale umgewandelt sind, Bilder aufzeichnet.
Die Lichtquellen 2 sind zum Beispiel aus Halbleiterlasern oder Leuchtdioden ausgebildet. Des Weiteren können die Lichtquellen 2 in der Gestalt von Enden einer Vielzahl von Lichtleitern, welche mit Halbleiterlasern und Leuchtdioden verbunden sind, oder einer Gruppe von Öffnungen vorgesehen sein, weiche von Halbleiterlasern oder Leuchtdioden ausgeleuchtet werden. Die Lichtquellen 2 sind zur Ausstrahlung von Licht angeordnet, weiches Intensitätsschwerpunkte aufweist, die einander parallel verlaufen, und vorzugsweise parallel zu der optischen Achse des zweiseitig telezentrischen optischen Systems 6.
Obwohl in der obigen Ausführungsform eine Vielzahl von Licht quellen 2 verwendet wird, ist das nicht absolut notwendig. Stattdessen kann eine einzige Lichtquelle 2 verwendet werden.
Das zweiseitig telezentrische optische System 6 umfasst in der einfachsten Ausführung zwei positive Linsen 4 und 5, welche durch eine Summe der Brennweiten hiervon zueinander beabstandet sind. Die Anordnung der Lichtquellen 2 wird durch das zweiseitig telezentrische optische System 6 in eine Anordnung leuchtender Punkte zur Aufzeichnung von Bildern mit einer gewünschten Auflösung auf der Aufzeichnungsfläche 8 vergrößert oder verkleinert. Da die Hauptstrahlen in den Strahlen, welche von den Lichtquellen 2 abgegeben werden, zueinander parallel sind, bleibt die Anordnung der leuchtenden Punkte auch konstant, wenn die Aufzeichnungsfläche 8 nach vorn oder nach hinten von einer Abbildungsebene abweicht. Somit können die Bilder mit hoher Genauigkeit aufgezeichnet werden.
Die Öffnungsblende 7 ist benachbart zu einem Treffpunkt eines rückwärtigen Brennpunkts der Linse 4 und eines vorderen Brennpunkts der Linse 5 angeordnet.
2 ist eine schematische Erläuterungsansicht, welche verschiedene Öffnungsblenden 7a, 7b und 7c zeigt (worauf zusammengefasst als „Öffnungsblende 7" Bezug genommen werden kann). Jede 2(a), 2(b) und 2(c) beinhaltet links eine Seitenansicht und rechts eine Vorderansicht. Die 2(a), 2(b) und 2(c) zeigen verschiedene Konfigurationen in übertriebener Form.
Die in 1 gezeigte Öffnungsblende 7 entspricht der in 2(a) gezeigten Öffnungsblende 7a. Die Öffnungsblende 7a wird durch Aufbohrung einer plan-konvexen Linse ausgebildet, wie gezeigt in der durchsichtigen Seitendarstellung auf der linken Seite von 2(a). Die Öffnungsblende 7a enthält eine Öffnung 72, die in der Mitte derselben ausgebildet ist, um als Durchgang für das Licht zu dienen, und einen brechenden Abschnitt 71, welcher die Öffnung 72 umgibt, um das Licht zu brechen. Die Öffnung 72 weist einen inneren Durchmesser auf, welcher einem für die Öffnungsblende 7a erforderlichen Öffnungsdurchmesser entspricht. Dieser Öffnungsdurchmesser setzt eine NA (Blendenöffnungszahl) der Strahlen fest, welche zur Aufzeichnung von Bildern verwendet werden. Der Öffnungsdurchmesser wird unter Berücksichtigung der optischen Wirksamkeit und der Fokustiefe ermittelt.
Bei dem optischen Abbildungsinstrument, welche den obigen Aufbau aufweist, durchlaufen diejenigen Teile der von den Lichtquellen 2 abgegebenen Strahlen, welche zur Bildentstehung mitwirken sollten, direkt die Öffnung 72 der Öffnungsblende 7a. Folglich bewirkt das zweiseitig telezentrische optische System 6, dass diese Strahlen Abbildungen der Lichtquellen 2 auf der Aufzeichnungsfläche 8 ausbilden.
Andererseits werden diejenigen Teile der von den Lichtquellen 2 abgegebenen Strahlen, welche abgefangen werden sollten (d. h. die Teile, welche nicht zur Bildentstehung mitwirken sollten), von dem brechenden Abschnitt 71 der Öffnungsblende 7a gebrochen. Wie in 1 schraffiert gezeigt ist, treffen solche Teile der Strahlen, ohne Bilder aus zubilden und ohne konzentriert zu werden, nach Austritt aus dem Objektivtubus 3 um die Abbildungspunkte herum ein, welche von den Strahlen ausgebildet sind, die die Öffnung 72 der Öffnungsblende 7a direkt durchlaufen haben. Durch geeignete Formgebung des brechenden Abschnitts 71 der Öffnungsblende 7a kann die Energiedichte des Lichts in diesen Bereichen weitaus weniger betragen als die Energiedichte des Lichts an dem Abbildungspunkt der Aufzeichnungsfläche 8 des Lichtes, welches die Öffnung 72 des Öffnungsblende 7a durchlaufen hat. Somit wird eine Abbildung aufgezeichnet, ohne von dem Licht beeinflusst zu werden, welches die Bereiche um den Abbildungspunkt erreicht, ohne Bilder auszubilden und ohne konzentriert zu werden.
Die Öffnungsblende 7a erlaubt dem unerwünschten Licht, den Objektivtubus 3 an dessen Austrittsende zu verlassen anstatt solches unerwünschtes Licht abzufangen. Folglich verhindert dieses optische Abbildungsinstrument wirksam die Erzeugung von Wärme, die im Stand der Technik auftritt.
Die geeignete Formgebung des brechenden Abschnitts 71 der Öffnungsblende 7a (d. h. die Formgebung der plan-konvexen Linse, welche als Unterlage verwendet wird) muss so sein, dass die dadurch gebrochenen Strahlen nicht auf innere Wände des Objektivtubus 3 treffen, sondern die Bereiche um den Abbildungspunkt auf der Aufzeichnungsfläche 8 erreichen, ohne Bilder auszubilden und ohne konzentriert zu werden. Wo der brechende Abschnitt 71 ein überaus niedriges Niveau an Brechkraft besitzt, würden die Strahlen, welche den brechenden Abschnitt 71 durchlaufen sind, kleine Bereiche um den Abbildungspunkt auf der Aufzeichnungsfläche 8 erreichen. Die Energiedichte des Lichtes in diesen Bereich ist nicht ausreichend erniedrigt, woraus eine Beeinträchtigung auf die Aufzeichnung der Abbildung entsteht. Ein zulässiges Niveau von Lichtenergie der Strahlen, welche den brechenden Abschnitt 71 durchlaufen sind, ohne nachteilig auf die Abbildungsaufzeichnung zu einzuwirken, hängt hauptsächlich von den Eigenschaften des Aufzeichnungsmedium ab, welches an der Aufzeichnungsfläche 8 fixiert ist. Andererseits, wo der brechende Abschnitt 71 ein überaus hohes Niveau an Brechkraft besitzt, würden die Strahlen, welche den brechenden Abschnitt 71 durchlaufen sind, an den inneren Wänden des Objektivtubus 3 anstoßen. Das führt zu Problemen wie der Verschlechterung des Abbildungsergebnisses und der Abweichung von der Abbildungsposition.
Ein hoher Grad an Profilunregelmäßigkeit ist bei dem brechenden Abschnitt 71 der Öffnungsblende 7a nicht erforderlich, was ermöglicht, dass die Öffnungsblende 7a durch Einsatz einer kostengünstigen plankonvexen Linse oder von Ähnlichem hergestellt wird. Zu diesem Zeitpunkt ist vorzugsweise ein großer Abbildungsfehler vorausgesetzt, um die Energiedichte der Strahlung zu verringern, welche die Bereiche um einen Abbildungspunkt erreichen, ohne Bilder auszubilden und ohne konzentriert zu werden.
Die obige Öffnungsblende 7a kann durch die in 2(b) gezeigte Öffnungsblende 7b oder durch die in 2(c) gezeigte Öffnungsblende 7c ersetzt werden.
Die in 2(b) gezeigte Öffnungsblende 7b wird durch Ausbildung eines kegelförmigen Prismas geschaffen, wie gezeigt in der durchsichtigen Seitendarstellung auf der linken Seite von 2(b). Die Öffnungsblende 7b enthält eine Öffnung 75, die in der Mitte derselben ausgebildet ist, und einen brechenden Abschnitt 74, welcher die Öffnung 75 umgibt, um das Licht zu brechen. Die Öffnung 75 weist einen inneren Durchmesser auf, welcher einem für die Öffnungsblende 7b erforderlichen Öffnungsdurchmesser entspricht.
Wenn diese Öffnungsblende 7b verwendet wird, wie zum Beispiel, wenn die obige Öffnungsblende 7a verwendet wird, durchlaufen diejenigen Teile der von den Lichtquellen 2 abgegebenen Strahlen, wel che zur Bildentstehung mitwirken sollten, direkt die Öffnung 75 der Öffnungsblende 7b. Folglich bewirkt das zweiseitig telezentrische optische System 6, dass diese Strahlen Abbildungen der Lichtquellen 2 auf der Aufzeichnungsfläche 8 ausbilden. Andererseits werden diejenigen Teile der von den Lichtquellen 2 abgegebenen Strahlen, welche abgefangen werden sollten, von dem brechenden Abschnitt 74 der Öffnungsblende 7b gebrochen. Solche Teile der Strahlen erreichen Bereiche um den Abbildungspunkt, ohne Bilder auszubilden und ohne konzentriert zu werden.
Bei dem in 1 gezeigten, zweiseitig telezentrischen optischen System 6 sind die Strahlen, wo die Öffnungsblende 7 eingebaut ist, in dem Zustand fast paralleler Strahlen. Wenn die Öffnungsblende 7b verwendet wird, welche durch Ausbildung eines kegelförmigen Prismas hergestellt wurde, können Abweichungen im Einfallswinkel und Austrittswinkel reduziert werden. Dies ermöglicht die Optimierung einer Antireflexionsbeschichtung, welche üblicherweise bei diesem Typ eines optischen Bauteils eingesetzt wird, und stellt eine verbesserte Antireflexionswirkung sicher. Folglich wird die Wärmeerzeugung angrenzend an die Öffnungsblende 7b wirksamer unterdrückt als bei Einsatz der vorangehenden Öffnungsblende 7a.
Die in 2(c) gezeigte Öffnungsblende 7c wird durch Abgrabung und Abschleifen eines Oberflächenbereichs 79 einer plankonvexen Linse ausgebildet, wie gezeigt in der durchsichtigen Seitendarstellung auf der linken Seite von 2(c). Die Öffnungsblende 7c enthält einen parallelen Plattenabschnitt 78, der in der Mitte derselben ausgebildet ist, um als Durchgang für das Licht zu dienen, und einen brechenden Abschnitt 77, welcher den parallelen Plattenabschnitt 78 umgibt, um das Licht zu brechen. Der parallele Plattenabschnitt 78 weist einen Durchmesser auf, welcher einem für die Öffnungsblende 7c erforderlichen Öffnungsdurchmesser entspricht.
Wenn diese Öffnungsblende 7c verwendet wird, wie zum Beispiel, wenn die Öffnungsblende 7a oder 7b verwendet wird, durchlaufen diejenigen Teile der von den Lichtquellen 2 abgegebenen Strahlen, welche zur Bildentstehung mitwirken sollten, direkt den parallele Plattenabschnitt 78 der Öffnungsblende 7c. Folglich bewirkt das zweiseitig telezentrische optische System 6, dass diese Strahlen Abbildungen der Lichtquellen 2 auf der Aufzeichnungsfläche 8 ausbilden. Andererseits werden diejenigen Teile der von den Lichtquellen 2 abgegebenen Strahlen, welche abgefangen werden sollten, von dem brechenden Abschnitt 77 der Öffnungsblende 7c gebrochen. Solche Teile der Strahlen erreichen Bereiche um den Abbildungspunkt, ohne Bilder auszubilden und ohne konzentriert zu werden.
Bei den vorangehenden Öffnungsblenden 7a und 7b konnten Teile der von den außerhalb der optischen Achse angeordneten Lichtquellen 2 abgegebenen Strahlen in die brechenden Abschnitte 71 und 74 durch innere Wände der Öffnungen 72 und 75 eintreten, um absorbiert, gestreut oder reflektiert zu werden. Das würde einen Anstieg der Temperatur angrenzend an die Öffnungsblenden 7a und 7b verursachen oder die Abbildungsleistung wegen Lichtreflexen herabsetzen. Die Öffnungsblende 7c ist diesbezüglich problemlos. Wenn diese Öffnungsblende 7c verwendet wird, muss jedoch das gesamte System zusammen mit dem parallelen Plattenabschnitt 78 mit Abbildungsfehlerkorrektur entworfen werden.
Bei der obigen Ausführungsform wird eine plan-konvexe Linse oder ein Prima für die Öffnungsblende 7 verwendet. An Stelle der plankonvexen Linse oder des Primas kann eine abgeflachte Linse wie beispielsweise eine Fresnellinse oder eine Gradientenplatte verwendet werden. Statt der Linse kann ein Licht beugendes Element verwendet werden.

Claims

Optisches Abbildungsinstrument zur Bewirkung, dass an einem Eintrittsende eines Objektivtubus (3) einfallendes Licht durch eine Öffnungsblende (7) tritt und danach den Objektivtubus (3) an seinem Austrittsende verlässt, womit auf einer Aufzeichnungsoberfläche eine Abbildung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsblende (7) ein optisches Element umfasst, welches eine Linse mit einer Öffnung (72), die in der Mitte derselben ausgebildet ist und den Durchtritt von Strahlen gestattet, die zu einer Bildausbildung beitragen sollen, und einem die Öffnung umgebenden brechenden Abschnitt (71) zum Brechen von Strahlen, die abgefangen werden sollen, und zur Bewirkung, dass diese Strahlen, die abgefangen werden sollen, den Objektivtubus am Austrittsende verlassen, ist.
Optisches Abbildungsinstrument nach Anspruch 1, welches ferner ein zweiseitig telezentrisches optisches System aufweist, das eine erste Linse (4), die benachbart zum Eintrittsende des Objektivtubus (3) angeordnet ist, und eine zweite Linse (5), die benachbart zum Austrittsende des Objektivtubus (3) angeordnet ist, enthält, wobei die Öffnungsblende (7) benachbart zu einem Treffpunkt eines rückwärtigen Brennpunkts der ersten Linse und eines vorderen Brennpunkts der zweiten Linse angeordnet ist.
Optisches Abbildungsinstrument nach Anspruch 1, wobei der brechende Abschnitt (71) geeignet geformt ist, dass das Licht die Bereiche um den Abbildungspunkt erreicht, ohne Bilder auszubilden und ohne konzentriert zu werden.
Optisches Abbildungsinstrument zur Bewirkung, dass an einem Eintrittsende eines Objektivtubus (3) einfallendes Licht durch eine Öffnungsblende (7) tritt und danach den Objektivtubus (3) an seinem Austrittsende verlässt, womit auf einer Aufzeichnungsoberfläche eine Abbildung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsblende (7) ein optisches Element umfasst, welches ein Prisma mit einer Öffnung (75), die in dessen Mitte ausgebildet ist und den Durchtritt von Strahlen gestattet, die zur Bildausbildung beitragen sollen, und einem die Öffnung umgebenden brechenden Abschnitt (74) zum Brechen von Strahlen, die abgefangen werden sollen, und zur Bewirkung, dass diese Strahlen, die abgefangen werden sollen, den Objektivtubus am Austrittsende verlassen, ist.
Optisches Abbildungsinstrument nach Anspruch 4, welches ferner ein zweiseitig telezentrisches optisches System aufweist, das eine erste Linse (4), die benachbart zum Eintrittsende des Objektivtubus (3) angeordnet ist, und eine zweite Linse (5), die benachbart zum Austrittsende des Objektivtubus (3) angeordnet ist, enthält, wobei die Öffnungsblende benachbart zu einem Treffpunkt eines rückwärtigen Brennpunkts der ersten Linse und eines vorderen Brennpunkts der zweiten Linse angeordnet ist
Optisches Abbildungsinstrument nach Anspruch 4, wobei der brechende Abschnitt (74) geeignet geformt ist, dass das Licht die Bereiche um den Abbildungspunkt erreicht, ohne Bilder auszubilden und ohne konzentriert zu werden.
Optisches Abbildungsinstrument zur Bewirkung, dass an einem Eintrittsende eines Objektivtubus einfallendes Licht durch eine Öffnungsblende tritt und danach den Objektivtubus an seinem Austrittsen de verlässt, womit auf einer Aufzeichnungsoberfläche eine Abbildung erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsblende (7) ein optisches Element aufweist, welches einen Parallelplattenabschnitt (78), der in dessen Mitte angeordnet ist und den Durchtritt von Strahlen gestattet, die zur Bildausbildung beitragen sollen, und einen den Parallelplattenabschnitt umgebenden brechenden Abschnitt (77) zum Brechen von Strahlen, die abgefangen werden sollen, und zum Bewirken, dass Strahlen, die abgefangen werden sollen, den Objektivtubus am Austrittsende verlassen, umfasst.
Optisches Abbildungsinstrument nach Anspruch 7, wobei das optische Element eine Linse ist, bei der der Parallelplattenabschnitt in ihrer Mitte ausgebildet ist.
Optisches Abbildungsinstrument nach Anspruch 7, welches ferner ein zweiseitig telezentrisches optisches System aufweist, das eine erste Linse (4), die benachbart zum Eintrittsende des Objektivtubus (3) angeordnet ist, und eine zweite Linse (5), die benachbart zum Austrittsende des Objektivtubus (3) angeordnet ist, enthält, wobei die Öffnungsblende benachbart zu einem Treffpunkt eines rückwärtigen Brennpunkts der ersten Linse und eines vorderen Brennpunkts der zweiten Linse angeordnet ist
Optisches Abbildungsinstrument nach Anspruch 7, wobei der brechende Abschnitt (77) geeignet geformt ist, dass das Licht die Bereiche um den Abbildungspunkt erreicht, ohne Bilder auszubilden und ohne konzentriert zu werden.