JP2014067031A - 投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】投影された画像が改善された品質を有するような画像を生成する投影装置を提供する。
【解決手段】本発明の投影装置は、傾斜ミラーＫ３及び傾斜ミラーＫ３を覆うカバーガラス１１を有する照明変調器３と、傾斜ミラーＫ５及び傾斜ミラーＫ５を覆うカバーガラス１２を有する画像変調器５と、照明変調器３の傾斜ミラーＫ３を画像変調器５の傾斜ミラーＫ５上に結像させて、照明変調器３の傾斜ミラーＫ３によって反射された光を画像変調器５の傾斜ミラーＫ５上に結像させる中継レンズ系３５を有する結像レンズ系４と、画像を生成するために、画像変調器５の傾斜ミラーＫ５によって反射された光を投影する投影レンズ系６とを備え、結像レンズ系４は補正要素（１８、２０、２３、２６、２７）を更に有し、補正要素は、カバーガラス１１及び１２を斜めに通り抜ける光によって引き起こされる少なくとも１つの画像誤差を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像を生成するために、第１の傾斜ミラーマトリックス及び第２の傾斜ミラーマトリックスと、第２の傾斜ミラーマトリックス上に第１の傾斜ミラーマトリックスを結像させる結像レンズ系と、第２の傾斜ミラーマトリックスによって反射された光を投影する投影レンズ系とを備える投影装置に関する。

そのような投影装置が特許文献１に開示されており、このような投影装置では、投影された画像において良好な画像品質を達成するために、正確にかつ可能な限り誤差なく、第２の傾斜ミラーマトリックス上への第１の傾斜ミラーマトリックスの結像を実行することが重要である。

米国特許公開第２０１１／０１７６１２０号明細書

しかしながら、極めて厳密な１：１結像を理論的に生成する結像レンズ系が用いられる場合であっても、依然として画像誤差が生じることが明らかになっている。

ここから出発して、本発明の目的は、投影された画像が改善された品質を有するような画像を生成するために、第１の傾斜ミラーマトリックス及び第２の傾斜ミラーマトリックスと、第２の傾斜ミラーマトリックス上に第１の傾斜ミラーマトリックスを結像させる結像レンズ系と、第２の傾斜ミラーマトリックスによって反射された光を投影する投影レンズ系とを備える投影装置を開発することである。

本発明によれば、複数の第１の傾斜ミラー及び第１の傾斜ミラーを覆う第１のカバーガラスを有する第１の傾斜ミラーマトリックスと、複数の第２の傾斜ミラー及び第２の傾斜ミラーを覆う第２のカバーガラスを有する第２の傾斜ミラーマトリックスと、第１の傾斜ミラーマトリックスの第１の傾斜ミラーを第２の傾斜ミラーマトリックスの第２の傾斜ミラー上に結像させて、第１の傾斜ミラーマトリックスの第１の傾斜ミラーによって反射された光を第２の傾斜ミラーマトリックスの第２の傾斜ミラー上に結像させる中継レンズ系を有する結像レンズ系と、画像を生成するために、第２の傾斜ミラーマトリックスの第２の傾斜ミラーによって反射された光を投影する投影レンズ系とを備え、結像レンズ系は補正要素を更に有し、補正要素は、第１のカバーガラス及び第２のカバーガラスを斜めに通り抜ける光によって引き起こされる少なくとも１つの画像誤差を補正する投影装置によってその目的が達成される。

本発明者らは、傾斜ミラーマトリックスのカバーガラスを斜めに通り抜けると、結果として結像レンズ系による結像に望ましくない収差が生じることに気が付いている。したがって、カバーガラスを斜めに通り抜けるときに（ただし、より高次の画像誤差を除く）、厳密には以下の画像誤差、すなわち、倍率色収差、（軸上）コマ収差、（軸上）非点収差及び歪みが生じる。これらの画像誤差は全て、第１の傾斜ミラーマトリックスと第２の傾斜ミラーマトリックスとの間のピクセル精度の割当てがもはや行われないという影響、又は第２の傾斜ミラーマトリックス上で望ましくない側方偏位があるという影響を及ぼす。この影響は、極めて正確な１：１結像を実行する結像レンズ系が用いられる場合でも、望ましくないような画像誤差が依然として生じ、迷光低減が完全には機能しないという結果をもたらす。カバーガラスはなくすこともできず、傾斜ミラーが真空下にあり、カバーガラスは常圧と真空との間の圧力差に耐えなければならないことから、カバーガラスは通常数ミリメートルという相当の厚みを有さなければならない。

カバーガラスを斜めに通り抜けることに起因して生じる画像誤差が、投影された画像の画像品質に及ぼす影響は以下のように特徴付けることができる。ピクセル精度の割当てができない結果として、一般的に、投影結像における（投影された画像内の）コントラストが劣化する。ピクセル精度の割当てからの逸脱は一般にフィールドに依存するので（縁に向かって輝度が低下することを含む）、この誤差は、高い画像内コントラストを有する画像において特に明らかである。倍率色収差の結果として、投影結像において散乱光の発生が色によって増減する。この誤差はフィールドに依存するので、この場合、結果として縁に向かって色縁が生じる可能性がある。

この誤差発生源の発見、すなわち、カバーガラスを斜めに通り抜けることが誤差の発生源であるという発見に起因して、かつ対応する補正要素の提供に起因して、本発明による投影装置が提供され、本発明によれば、カバーガラスを斜めに通り抜ける結果として生じる特定の画像誤差を全て同時に補正又は低減することができるので、投影された画像が改善された品質を有する。

本発明による投影装置において、中継レンズ系は光学軸を有することができ、第１の傾斜ミラーマトリックス及び第２の傾斜ミラーマトリックスのそれぞれの第１の傾斜ミラー及び第２の傾斜ミラーの中心点はそれぞれ、第１のＤＭＤ面及び第２のＤＭＤ面内に存在することができ、第１の傾斜ミラーマトリックス及び第２の傾斜ミラーマトリックスはそれぞれ、第１のＤＭＤ面及び第２のＤＭＤ面がいずれの場合も光学軸と９０度に等しくない角度を成すように位置することができる。特に、第１の傾斜ミラーマトリックス及び第２の傾斜ミラーマトリックスは、第１のＤＭＤ面及び第２のＤＭＤ面が一致するように位置することができる。この構成において、モノセントリック光学ユニットによって、特に良好な画像を生成することができる。

特に、中継レンズ系は、モノセントリック光学ユニットとして形成することができる。

本明細書において、モノセントリック光学ユニットは、全ての（屈折性及び／又は反射性の）有効面が共通の曲率中心の周囲に同心円状に配置される光学系を特に意味する。

本明細書において、中継レンズ系は、詳細には、それ自体の上に、軸に対して垂直であり、かつ反転した面素を結像するレンズ系を意味する。しかしながら、もはやそれ自体の上への面素の結像が存在するのでなく、非折り返しを用いることなく存在することになるような、非折り返しの中継レンズ系を形成することもできる。モノセントリック光学ユニットは、それ自体の中に（反転した）共通の曲率中心の周囲の体素全体を結像する。モノセントリック光学ユニットは、当然、非折り返しを用いることなく、それ自体の中への体素の結像が存在することになるように形成することもできる。それにより、カバーガラスの影響が無視され、歪みがなく、良好な波面品質を有する場合には、モノセントリック光学ユニットの、又は中継レンズ系の光学軸に対して斜めに配置されるＤＭＤ面は互いの上に結像することができる。光がカバーガラスを斜めに通り抜ける（又はある角度でカバーガラスを通り抜ける）ことから実際に生じる画像誤差は、補正要素を用いて本発明によって補正される。色及び／又は輝度に関して空間的に近い変化を有する画像コンテンツの場合に特に、フィールド依存の輝度変化又は色変化が生じる。したがって、例えば、黒色の背景上で個々の白色ピクセルを表す場合、「白色」ピクセルの輝度及び色の両方が画像にわたって変化する。理想的な場合には、記述されたフィールド依存の輝度変化又は色変化は、画像誤差を補正又は低減することによって、もはや知覚できない程度まで低減又は抑制することができる。

中継レンズ系又はモノセントリック光学ユニットは、１：１結像レンズ系として特に形成される。

補正要素は曲面を有することができ、曲面は自由曲面として形成され、曲面の曲率は、互いに垂直に延びる２つの断面内で異なるように変化し、曲面上の位置によって異なる。

さらに、補正要素は屈折要素として形成することができる。屈折要素は、所望の補正がもたらされるように選択された局所的に変化する厚みを有することができる。屈折要素によって、カバーガラスを通してもたらされる誤差と反対の誤差、又は概ね等しいサイズの反対の誤差が生じ、それにより、所望の補正が達成されるという点で特に、これを達成することができる。

さらに、屈折要素の一方の面は、例えば、自由曲面として形成することができ、その曲率は、互いに垂直に延びる２つの断面内で異なるように変化し、曲面上の位置によって異なる。他方の面は、例えば、球状に湾曲するか、平坦にするか、非球面にするか、又は自由曲面として形成された一方の面と同じようにすることができる。

中継レンズ系又はモノセントリック光学ユニットは、湾曲した鏡面を有するミラーを有することができ、そのミラーは屈折要素の金属化された面によって形成される。さらに、投影装置は２つの屈折要素を有することができ、それらの２つの屈折要素が所望の補正を実行する。この場合、中継レンズ系又はモノセントリック光学ユニットは、例えば、いずれの場合も湾曲した鏡面を有する２つのミラーを有することができ、その鏡面はいずれの場合も２つの屈折要素のうちの一方の金属化された面によって形成される。当然ながら、少なくとも一方の屈折要素は別個の構成要素とすることができ、その結果、その一部としての中継レンズ系内又はモノセントリック光学ユニット内の少なくとも１つのミラーも別個の構成要素である。

少なくとも１つの屈折補正要素が、中継レンズ系又はモノセントリック光学ユニットによって第１の傾斜ミラーから第２の傾斜ミラー上に結像する光がその少なくとも１つの屈折補正要素を厳密に一度又は厳密に二度だけ通り抜けられるように、その少なくとも１つの屈折補正要素を位置させることができる。

中継レンズ系又はモノセントリック光学ユニットは、凹形の球状鏡面を有する一次ミラーと、凸形の球状鏡面を有する二次ミラーとを有することができる。

さらに、中継レンズ系又はモノセントリック光学ユニットは、純粋に反射性の光学ユニットとして、純粋に屈折性の光学ユニット又は反射屈折光学ユニットとして形成することができる。

特に、補正要素は反射要素として形成することができる。中継レンズ系又はモノセントリック光学ユニットが少なくとも１つの屈折要素を含む限り、そのような反射要素を用いて、色画像誤差補正（chromatic image error correction）を実行することもできる。この場合、フィールド付近に配置されることが好ましい反射補正要素によって、中継レンズ系又はモノセントリック光学ユニットの屈折要素（又は対応する屈折面）のこれにより引き起こされた色収差がカバーガラスの色収差を低減し、それにより更には投影された画像の品質が改善されるように、中継レンズ系又はモノセントリック光学ユニットの屈折部分を通るビーム経路が、フィールドビーム角に応じて目標通りに変更される。

中継レンズ系が、例えば、反射屈折レンズ系として形成される場合には、例えば、中継レンズ系の一方のミラーを自由曲面として設計することができる。この場合、補正要素は中継レンズ系のミラーの中に組み込まれ、それゆえ、別個の構成要素ではない。この場合、自由曲面部分、それゆえ、例えば、ミラーの球状の基本形状からの偏位が補正要素を実質的に形成する。

さらに、結像レンズ系及び／又は中継レンズ系若しくはモノセントリック光学ユニットは、厳密に１つの対称面に対して鏡面対称に形成することができる。

屈折要素は別個の屈折要素として形成することができる。

さらに、中継レンズ系又はモノセントリック光学ユニットは２つのミラーを有することができ、２つのミラーのうちの一方は凹面ミラーとして形成され、２つのミラーのうちの他方は凸面ミラーとして形成され、ビーム経路は第１の傾斜ミラーマトリックスから、凹面ミラーを介して凸面ミラーまで、更には、凹面ミラーを介して第２の傾斜ミラーマトリックスまで延びる。

屈折要素は、色消し接合群（achromatic cemented group）として特に形成することができる。

特に、本発明による投影装置は、厳密に２つの（例えば、球状の）曲面ミラーを有する。さらに、本発明による投影装置は更に、平坦な反射ミラーを含むことができる。

さらに、本発明による投影装置は、投影装置を動作させるための制御ユニットと、第１の傾斜ミラーマトリックスを照明するための光源（単色又は多色）と、投影装置を動作させるのに必要である当業者に公知の他の要素とを有することができる。

画像を生成するために、第１の傾斜ミラーマトリックス及び第２の傾斜ミラーマトリックスと、第２の傾斜ミラーマトリックス上に第１の傾斜ミラーマトリックスを結像させる結像レンズ系と、第２の傾斜ミラーマトリックスを（特に投影面上に）結像させる投影レンズ系とを備える投影装置が更に提供され、結像レンズ系は、２つの曲面ミラーと、少なくとも１つの曲面を有する１つの屈折要素とを有し、２つの湾曲した鏡面及び湾曲した屈折面のうちの少なくとも１つの面は自由曲面として形成され、その曲率は、互いに垂直に延びる２つの断面内で異なるように変化し、曲面上の位置によって異なる。

さらに、画像を生成するために、第１の傾斜ミラーマトリックス及び第２の傾斜ミラーマトリックスと、第２の傾斜ミラーマトリックス上に第１の傾斜ミラーマトリックスを結像させる結像レンズ系と、第２の傾斜ミラーマトリックスを（特に投影面上に）結像させる投影レンズ系とを備える投影装置が提供され、結像レンズ系は、いずれの場合も湾曲した鏡面を有する２つの曲面ミラーを有し、２つの鏡面のうちの少なくとも一方は自由曲面として形成され、その曲率は、互いに垂直に延びる２つの断面内で異なるように変化し、鏡面上の位置によって異なる。

２つの更なる投影装置の結像レンズ系は、既に記載したように特に形成することができる。

上記の特徴、及び以下で更に説明される特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、規定された組み合わせだけではなく、他の組み合わせ、又は単独でも用いることができることを理解されたい。

本発明は、一例として、同じく本発明にとって不可欠な特徴を開示する添付の図面を参照しながら後に更に詳細に説明される。

本発明による投影装置の一実施形態の概略図である。 図１からの投影装置１の２つの傾斜ミラーマトリックス３、５を用いる光変調を説明する概略図である。 図１からの投影装置１の結像レンズ系４の斜視図である。 図３による結像レンズ系４の側面図である。 図３による結像レンズ系４の平面図である。 図３〜図５からの投影装置の画像誤差を表す図である。 図３〜図５からの投影装置の画像誤差を表す図である。 屈折補正要素１８を用いない場合の投影装置の画像誤差を表す図である。 屈折補正要素１８を用いない場合の投影装置の画像誤差を表す図である。 図１からの投影装置の結像レンズ系４の更なる実施形態の斜視図である。 図１０による結像レンズ系４の側面図である。 図１０による結像レンズ系４の平面図である。 図６及び図７と同じようにして図１０〜図１２による投影装置の場合の画像誤差を表す図である。 図６及び図７と同じようにして図１０〜図１２による投影装置の場合の画像誤差を表す図である。 図１による投影装置１の結像レンズ系４の更なる実施形態の斜視図である。 図１５からの結像レンズ系４の側面図である。 図１５からの結像レンズ系４の平面図である。 図６及び図７と同じようにして図１５〜図１７による投影装置の場合の画像誤差を表す図である。 図６及び図７と同じようにして図１５〜図１７による投影装置の場合の画像誤差を表す図である。 図１による投影装置１の結像レンズ系４の更なる実施形態の斜視図である。 図２０からの結像レンズ系４の側面図である。 図２０からの結像レンズ系４の平面図である。 図６及び図７と同じようにして図２０〜図２２による投影装置の場合の画像誤差を表す図である。 図６及び図７と同じようにして図２０〜図２２による投影装置の場合の画像誤差を表す図である。 図１からの投影装置１の結像レンズ系４の更なる実施形態の斜視図である。 図２５からの結像レンズ系４の側面図である。 図２５からの結像レンズ系４の平面図である。 図６及び図７と同じようにして図２５〜図２７による投影装置の場合の画像誤差を表す図である。 図６及び図７と同じようにして図２５〜図２７による投影装置の場合の画像誤差を表す図である。 図１からの投影装置１の結像レンズ系４の更なる実施形態の斜視図である。 図３０からの結像レンズ系４の平面図である。 図３０からの結像レンズ系４の側面図である。 図３０〜図３２による投影装置の場合の画像誤差を表す図である。

図１に概略的に示される実施形態では、画像を投影するための本発明による投影装置１は、光源２と、照明変調器３と、結像レンズ系４と、画像変調器５と、投影レンズ系６と、制御ユニット７とを備えている。

照明変調器３及び画像変調器５はいずれの場合も、列及び行を成すｎ×ｍの傾斜ミラー（又はマイクロミラー）を有する傾斜ミラーマトリックスとして形成され、それらの傾斜ミラーは、互いに独立して、第１の傾斜位置及び第２の傾斜位置に動かすことができる。第１の傾斜ミラーマトリックスである照明変調器３と第２の傾斜ミラーマトリックスである画像変調器５とは、全く同じように形成することができ、及び／又は同じ数及び構成の傾斜ミラーを有することができる。

結像レンズ系４は、１：１結像レンズ系として形成され、照明変調器３の各傾斜ミラーを画像変調器５の１つの傾斜ミラー上に正確に結像させ、その結果、画像変調器５の１つの傾斜ミラーが照明変調器３の各傾斜ミラーに厳密に割り当てられる。傾斜ミラーの他の割当ても可能である。したがって、例えば、画像変調器５の各傾斜ミラーが照明変調器３の２つの傾斜ミラー（それぞれ半分）によって照明されるように、行方向においてオフセットを与えることができる。

光源２からの光（例えば、白色光）が当たる照明変調器３が画像変調器５のための２次元に変調された光源であるように、照明変調器３及び画像変調器５は、送り込まれた画像データＢＤに基づいて制御ユニット７によって制御され、画像変調器５を用いて、投影されることになる画像が生成されるか、又は変調され、その後、投影レンズ系６によって投影面８上に投影することができる。

画像変調器５の黒色でない画像ピクセル（又は対応する傾斜ミラー）に割り当てられる照明変調器の傾斜ミラーによって反射された光のみが画像変調器５上に結像するように、照明変調器３を制御することができる。それにより、黒画像点を表すことになる画像変調器５の画像ピクセル又は傾斜ミラーに光が当たらないことを達成できる（なぜなら、照明変調器３の割り当てられた傾斜ミラー又はこの傾斜ミラーによって反射された光は画像変調器５上に結像しないためである）。これは、黒レベル（実際の投影画像内の黒画像点の望ましくない残留輝度）を明らかに低減することができるという有利な結果を有する。

照明変調器３及び画像変調器５の光変調が、図２の概略的表現に関連して更に詳細に説明される。

図２において、照明変調器３及び画像変調器５のそれぞれを表すために、いずれの場合も、その２つの取り得る傾斜位置にある単一の傾斜ミラーＫ３、Ｋ５のみが描かれており、具体的な実施例において更に詳細に説明されるように、照明変調器３及び画像変調器５が結像レンズ系４に対して（図面の平面に対して垂直に延びるｘ軸の回りで）２４度だけ傾斜することが概略的に表されている。

傾斜ミラーＫ３，Ｋ５の傾斜角は、それぞれのＤＭＤ面９，１０（それぞれ傾斜ミラーＫ３又はＫ５の中心点の面）に対して±１２度であり、ＤＭＤ面は２４度だけ傾けられている。さらに、図２の概略的表現では、カバーガラス１１，１２も、いずれの場合も点線として描かれている。これらのカバーガラス１１，１２は、傾斜ミラーＫ３，Ｋ５が確立した真空を保持するために、２つの傾斜ミラーマトリックスにおいて不可欠である。したがって、カバーガラス１１，１２は、常圧と真空との間の圧力差に耐えなければならず、それゆえ、数ミリメートルの厚みを有する。ここで記載される実施形態では、３ｍｍの厚みが想定され、そのタイプのガラスとしてＢＫ７が用いられる。

図２に図示された傾斜ミラーＫ３，Ｋ５は、２つの傾斜ミラーＫ３，Ｋ５のそれぞれの傾斜軸が図面の平面に対して垂直に延びるように選択された断面表現において示されている。さらに、２つのＤＭＤ面９，１０は共通の平面内にあるが、その平面はより良好に提示できるようにするために図２には表されていない。

照明変調器３の傾斜ミラーＫ３は、その第１の傾斜位置Ｓ１にあるか、又はその第２の傾斜位置Ｓ２にあるかのいずれかとすることができる。両方の傾斜位置は、ＤＭＤ面９に対して１２度だけ傾けられている。図２には、両方の傾斜位置Ｓ１及びＳ２が描かれている。当然ながら、傾斜ミラーＫ３は、一度に第１の傾斜位置Ｓ１及び第２の傾斜位置Ｓ２のうちの一方しかとることができない。同じことが画像変調器５の傾斜ミラーＫ５にも当てはまる。傾斜ミラーＫ５は、その第１の位置Ｓ３にあるか、その第２の位置Ｓ４にあるかのいずれかとすることができる。

投影装置１の動作中に、傾斜ミラーＫ３には、光源２からの光Ｌ１が当たり、光Ｌ１は、ＤＭＤ面９に対して垂直に傾斜ミラーＫ３に当たるようになっている。傾斜ミラーＫ３がその第２の位置Ｓ２にあるとき、傾斜ミラーＫ３はＤＭＤ面９に対して反時計回りに１２度だけ傾けられるので、光Ｌ１は、光Ｌ１の入射方向に対して２４度の角度で、いわゆるオフ光Ｌ２として、図示されないビームトラップ上に反射される。このオフ光Ｌ２は、画像変調器５を照明するためには用いられない。

しかしながら、傾斜ミラーＫ３がその第１の位置Ｓ１にあるとき、光Ｌ１は、光Ｌ１の入射方向に対して２４度の角度で、いわゆる、オン光Ｌ３として反射される。以下に更に詳細に記載されるように、このオン光Ｌ３は、結像レンズ系４によって、画像変調器５の割り当てられた傾斜ミラーＫ５上に結像する。傾斜ミラーＫ５上へのオン光Ｌ３の入射方向は、傾斜ミラーＫ５がその第１の位置Ｓ３にあるときに、反射光Ｌ４がＤＭＤ面１０に対して垂直に進むように選択される。このために、傾斜ミラーＫ５上に入射するオン光Ｌ３は、ＤＭＤ面１０上の垂線に対して２４度の角度を成す。傾斜ミラーＫ５の第１の傾斜位置Ｓ３では、この結果として所望の反射が生じ、その結果、反射光Ｌ４を投影レンズ系６によって投影面８上に投影することができる。

傾斜ミラーＫ５がその第２の位置Ｓ４にあるとき、その光は、ＤＭＤ面１０上の垂線に対して４８度の角度で、オフ光Ｌ５として反射される。このオフ光Ｌ５は、ビームトラップ（図示せず）の中に伝搬し、投影面８上への画像投影には用いられない。

このようにして、照明変調器３によって、２次元に変調された光源を設けることができ、画像変調器５の、黒でない画像点を表すことになる、傾斜ミラーＫ５上に結像する照明変調器３の全ての傾斜ミラーＫ３が第１の傾斜位置に動かされる。単一のフレーム表現の時間Ｔ中に、対応する画像点の所望の輝度が生成されるように、画像変調器５によって、照明された傾斜ミラーＫ５を第１の傾斜位置及び第２の傾斜位置に切り替えることができる。その輝度は、傾斜ミラーＫ５がその第１の位置にある期間と、傾斜ミラーＫ５がその第２の位置にある期間との関係によって設定することができる。照明変調器３及び画像変調器５は、送り込まれる制御データＢＤに基づいて制御ユニット７が生成するパルス幅変調された制御データによって制御することができる。

高コントラストの画像投影の場合、結像レンズ系４が効率的であり、歪み又は色収差のような画像誤差を最小限に抑えることが重要である。いずれの場合もカバーガラス１１，１２をオン光Ｌ３が斜めに通り抜けるときに、傾斜ミラーＫ５への傾斜ミラーＫ３の結像中に側方偏位がある。通常は３０μｍまでであり、フィールド点によって異なる相対的に小さな側方偏位であっても、結果として、１５μｍ未満の通常の大きさの傾斜ミラーＫ３及びＫ５において投影特性が劣化する。

図３〜図５による実施形態において、画像変調器５の画像点のこれらの投影特性の劣化又は特性劣化を引き起こす側方偏位を低減するために、結像レンズ系４は、一次ミラー１３及び二次ミラー１４を備えるモノセントリック光学ユニット３５と、屈折補正要素１８とを有している。モノセントリック光学ユニット３５は、全ての（屈折性及び／又は反射性の）有効面が共通の曲率中心の周囲に同心円状に配置され、ここでは、いわゆる、オフナー光学系として形成され、全てのモノセントリック光学系と同様に、一般的に、概ね誤差のない中間結像によって、共通の曲率中心の周囲の体積の小さなエリアをそれ自体の中に（反転して）結像させるという特性を有している。それにより、そのようなモノセントリック光学系を、ビーム経路に対して斜めに、かつ互いに平行に配置される物体及び画像フィールドのための中継レンズ系として用いることもできる。

これまでに販売されている傾斜ミラーマトリックスの場合、個々の傾斜ミラーがその回りで傾斜する傾斜軸は、長方形のマトリックス全体の外縁に対して回転するので（すなわち、通常４５度だけ）、傾斜軸がｘ方向に延びるために、特に図３及び図５から明らかであるように、照明変調器３及び画像変調器５もそれに応じて回転して配置される。さらに、既に記述された、ｘ軸の回りでのＤＭＤ面の２４度の傾斜も存在する。

一次ミラー１３の鏡面１５は凹球面であり、二次ミラー１４の鏡面１６は凸球面であり、２つの鏡面１５及び１６の２つの曲率中心は一致する。カバーガラス１１及び１２によって引き起こされる収差を補正するために設けられる補正要素１８は、ここではミラーレンズ１８として形成され、二次ミラー１４はミラーレンズ１８の背面１７上に配置される。一次ミラー１３に面するミラーレンズ１８の前面１９は自由曲面として形成され、その曲率は、互いに垂直に延びる２つの断面内で異なるように変化し、前面１９上の位置によって異なる。

前面１９の曲率は、例えば、以下の式（１）による多項式展開によって記述することができる。

前面１９の自由曲面は、ここでは、ｙｚ平面に関して鏡面対称に形成され、その結果、上記の式（１）の展開係数Ｃ_ｉｊがｘの偶数冪を記述するものとすると、展開係数Ｃ_ｉｊは０とは異なる値を有する。

ミラーレンズ１８の前面１９のための展開係数Ｃ_ｉｊは以下の表において与えられる。ただし、ＸｉＹｊは指定通りに選択される。ｉ＝０である場合には、Ｘｉは与えられない。同じことがｊ＝０の場合にも当てはまる。この場合、Ｙｊは与えられない。さらに、ｊ＝１の場合には、Ｙのみが与えられる。したがって、例えば、Ｘ２Ｙは展開係数Ｃ_２１を表し、Ｙ４は展開係数Ｃ_０４を表し、Ｘ４Ｙは展開係数Ｃ_４１を表す。

ここで、ミラーレンズ１８は６ｍｍの厚みを有し、材料としてＢＫ７が用いられる。さらに、本実施形態のために、かつ後続の全ての実施形態のために、傾斜ミラーＫ３、Ｋ５の照明に関して、０．１の開口数が仮定される。

２つの直交する主断面において屈折性の前面１９（又は屈折性の自由曲面）の曲率の進行が異なるので、同時に、横方向色収差、軸上非点収差及び軸上コマ収差の優れた補正が達成される。

二次ミラー１４はミラーレンズ１８として形成されるので、処理される前面１９は小さく、その結果、製造コスト及び重量を最小限に抑えることができる。さらに、屈折面（前面１９）と二次ミラー１４の鏡面１６との間の所望の位置合わせが存在する。

図６及び図７には、図３〜図５による投影装置１の画像誤差表現が示されており、いずれの場合も、２つの列が表されている。左側の列はｙｚ平面内の主断面に関連し、右側の列はそれに対して垂直なｘｚ平面内の主断面に関連し、いずれの場合も、波長４３５ｎｍ、５４６ｎｍ及び６５６ｎｍの場合の画像誤差がｍｍ単位で表されている。いずれの場合も、２つの主断面のための対応する画像誤差曲線間に互いに隣り合って相対ｘ座標及び相対ｙ座標が与えられている。その下には、画像空間内の主ビーム角が記載されている。したがって、例えば、図６の一番上の表現では、相対ｘ座標及び相対ｙ座標は０．７８及び０．００である。主ビーム角はそれぞれ−０．０６度及び２４．０度である。

図８及び図９は、比較のために、図３〜図５に従ってオフナー光学系として形成されるが、補正要素を含まない結像レンズ系の画像誤差を、図６及び図７と同じように示している。

図８及び図９において表される画像誤差と、本発明の設計による図６及び図７の投影装置の画像誤差との比較が示すように、２つの主断面において横方向色収差、非点収差及び軸上コマ収差の優れた補正が存在する。一方、図８及び図９による従来の解決策では、画像変調器５上で画像点に３０μｍまでの側方偏位があり、それにより、１５μｍ未満の通常の傾斜ミラーサイズの場合に、傾斜ミラーＫ３、Ｋ５を照明変調器３及び画像変調器５にピクセル精度で割り当てるのが妨げられる。他方、本発明による投影装置１では、理想的な実際位置からの第２の傾斜ミラーマトリックス上の画像点の側方偏位ははるかに小さく、その結果、より良好な画像特性が提供される。

図１０〜図１２には、図３〜図５と同じようにして、本発明の投影装置１の第２の実施形態の結像レンズ系４が示されており、同様に、モノセントリック光学ユニット３５としてオフナー光学系が仮定される。図１０〜図１２による結像レンズ系４では、図３〜図５による実施形態とは対照的に、ここでは二次ミラー１４がミラーレンズ及び補正要素として形成されるのではなく、一次ミラー１３をミラーレンズ２０として指定することができる。ミラーレンズ２０の背面２１は球状に湾曲し、金属化され、鏡面１５を形成する。本発明に従って、今度は、二次ミラー１４に面するミラーレンズ２０の前面２２が自由曲面として形成され、その曲率は、互いに垂直に延びる２つの断面内で異なるように変化し、自由曲面上の位置によって異なる。ミラーレンズは、６ｍｍの厚みを有することができ、例えば、材料として、ＮＦＫ５を用いることができる。自由曲面すなわち前面２２は、式（１）による多項式展開によって記述することができ、その展開係数Ｃ_ｉｊは、表１と同じようにして以下の表２において与えられる。

この設計では、図１３及び図１４の画像誤差表現から明らかであるように、全ての色画像誤差及び単色画像誤差を同時に巧みに補正することができる。これは、図３〜図５による実施形態と比べて、自由曲面である前面２２の低い多項式次数の場合でも可能である。前面２２は、フィールド付近と開口付近との間の中間エリア内に存在し、それゆえ、生じる全ての画像誤差の優れた補正を保証するのに特に適している。結像レンズ系４の結像は、実際には回折限界であり、２つの座標方向において画像点の極めて低い歪みのみを有する。

図１５〜図１７には、本発明による投影装置１の更なる実施形態の結像レンズ系４が示されている。この実施形態では、いずれの場合も、一次ミラー１３及び二次ミラー１４はいずれもミラーレンズ１８，２０として形成され、互いに面するミラーレンズ１８，２０の前面は、いずれの場合も自由曲面として形成され、２つのミラーレンズ１８及び２０の背面１７及び２１は、いずれの場合も金属化され、球状の一次ミラー１３及び球状の二次ミラー１４を形成する。このようにして、２つの屈折補正要素が設けられる。一次ミラー１３及び二次ミラー１４はモノセントリック光学ユニットを形成する。例えば、ミラーレンズ１８、２０の材料としてＮＦＫ５を用いることができ、ミラーレンズ１８は３ｍｍの厚みを有し、ミラーレンズ２０は６ｍｍの厚みを有する。この実施形態によれば、例えば、図１８及び図１９の画像誤差表面から明らかであるように、図１０〜図１２による変形形態と比べて、結像レンズ系４の補正の改善を達成することができる。

図２０〜図２２には、本発明による投影装置１の更なる実施形態による結像レンズ系４の更なる設計が示されている。この設計では、一次ミラー１３及び二次ミラー１４はオフナー光学系を形成する（それらはいずれの場合も球状に湾曲し、その曲率中心は一致する）。照明変調器３から一次ミラー１３までのビーム経路内に屈折補正要素２３が配置され、その屈折補正要素は、照明変調器３に面する前面２４と、照明変調器３から離れて面する背面２５とを有している。補正要素２３の厚みは５ｍｍであり、材料としてＮＦＫ５が用いられた。前面２４及び背面２５はいずれも自由曲面として形成され、その曲率は、互いに垂直に延びる２つの断面内で異なるように変化し、曲面上の位置によって異なる。

前面２４の自由曲面は、同様に式（１）による多項式展開によって記述することができる。対応する係数が以下の表３において与えられる。

同じようにして、背面２５は、式（１）による多項式展開によって記述することができる。対応する係数が以下の表４において与えられる。

前面２４及び背面２５の面を表すための局所座標の原点は、大域座標の原点（オフナー光学系の光学軸と照明変調器３及び画像変調器５を接続する直線との交点）を起点とするが、ｚ軸に沿ってそれぞれ１５１ｍｍ（前面２４）又は１５６ｍｍ（背面２５）だけわずかにシフトされる。したがって、前面２４及び背面２５の２つの自由曲面の多項式展開のための展開点は、前面２４及び背面２５の光学的に使用されるエリアの外側に、かつそれ自体の回転対称中継レンズ系３５（一次ミラー１３及び二次ミラー１４によって形成されるモノセントリック光学ユニット３５）の光学軸上に存在する。

そのような補正要素２３を用いて、図２３及び図２４の画像誤差表現から明らかであるように、カバーガラス１１，１２によって引き起こされる波面収差を概ね完全に補償することができる。その結像はピクセル精度であるか、又は傾斜ミラーに対して正確である。歪み、それゆえ、その理想的な画像位置からの画像変調器５上の画像点の側方偏位は、ここでは、ｘ方向及びｙ方向の全てのフィールド点に関して５μｍ未満である。

結像レンズ系４の更なる変更形態が図２５〜図２７において表されている。この変更形態では、補正要素２３に加えて、一次ミラー１３と画像変調器５との間のビーム経路内に更なる補正要素２６が配置されている。更なる補正要素２６は、図２５〜図２７による表現内に示されるように、別個の要素として形成することができる。しかしながら、２つの補正要素２３及び２６は、コヒーレント補正要素として形成することもできる。２つの補正要素２３及び２６、又は単一の補正要素として形成される補正要素２３は、ｙｚ平面に対して対称であることが好ましい。この対称な設計は、補正要素２３、又は補正要素２３及び２６の位置精度のための要件がわずかに緩和され、それゆえ、調整が簡略化されるという利点を有する。当然ながら、互いに対する２つの補正要素２３，２６の位置合わせを不要にし、かつ２つの傾斜ミラーマトリックスに対する単一の補正要素の位置決めは、位置合わせの許容範囲が厳密ではないので、単一の補正要素としての設計が有利である。

結像レンズ系４のこの設計によれば、図２８及び図２９の画像誤差表現から明らかであるように、カバーガラスによって引き起こされる収差の補正を実質的に回折限界レベルにおいて実行することができる。ピクセル精度の歪み補正も可能である。

図３０〜図３２には、以前のオフナー構造とは異なる結像レンズ系４の更なる設計が示されている。この設計は、オフナー光学系を二次ミラーの回りで非折り返しにすることによって形成され、二次ミラーを不要にすると考えることができる。二次ミラーの代わりに、楔形の補正要素２７が存在し、その補正要素は、自由曲面ミラー２８及び２９とともに、結像を補正する。実際の結像は、オフナー光学系内の一次ミラーに対応する２つの自由曲面ミラー２８及び２９のみを用いて行われる。２つの平坦な反射ミラー３０及び３１は、照明変調器３及び画像変調器５を空間的に分離して取り付けることができるようにする役割のみを果たす。したがって、２つの自由曲面ミラー２８及び２９の曲率は同じである。同じことが、補正要素２７の２つの屈折性の自由曲面３２及び３３にも当てはまる。色収差を低減するために、補正要素２７は色消し接合群として設計される。

図３３の画像誤差表現から明らかであるように、この構造によっても、優れた収差補正及びピクセル精度の結像をもたらすことができる。

記載された実施形態又は記載された実施形態の特徴は、互いに組み合わせることもできる。

これまでの記載において、照明変調器３には白色光が当たると仮定してきた。しかしながら、光源２は着色光を放射することもできる。詳細には、光源は、例えば、赤色光、緑色光及び青色光のような、異なる色の光を時系列的に放射することができる。その際、赤色、緑色及び青色の部分画像の時系列表現を通して、当業者に公知の態様において多色画像を生成することができる。色変化は、観察者が時間的に次々に投影される色部分画像をもはや見分けることができないほど十分に迅速に実行されなければならず、その結果、観察者は重ね合わせのみを、それゆえ、多色画像のみを認識することができる。

異なる色の照明光を時系列的に生成することは、例えば、光源２と照明変調器３との間にあるカラーホイール３５（図１）によって、通常の方法で実行することができる。

当然ながら、１つのみの照明変調器の代わりに、赤色光、緑色光及び青色光が同時に当たる３つの照明変調器を設けることもできる。その後、３つの変調器の赤色オン光、緑色オン光及び青色オン光が重ね合わせられ、重ね合わせられたオン光が、結像レンズ系４によって、３つの画像変調器５上に、選択された色において結像する。画像変調器は、それぞれカラー部分画像を変調し、それらの画像は同様に重ね合わせられ、その後、投影レンズ系６によって投影面８上に投影される。

重ね合わせ及び色分離は、ダイクロイック層によって実行することができる。６つの変調器を用いるこの実施形態は、当然ながら、上記の実施形態よりもはるかに複雑である。しかしながら、そのような実施形態によれば、より高輝度のカラー画像を生成することができる。

Claims (15)

1. 複数の第１の傾斜ミラー（Ｋ３）及び該第１の傾斜ミラー（Ｋ３）を覆う第１のカバーガラス（１１）を有する第１の傾斜ミラーマトリックス（３）と、
   複数の第２の傾斜ミラー（Ｋ５）及び該第２の傾斜ミラー（Ｋ５）を覆う第２のカバーガラス（１２）を有する第２の傾斜ミラーマトリックス（５）と、
   前記第１の傾斜ミラーマトリックス（３）の前記第１の傾斜ミラー（Ｋ３）を前記第２の傾斜ミラーマトリックス（５）の前記第２の傾斜ミラー（Ｋ５）上に結像させて、前記第１の傾斜ミラーマトリックス（３）の前記第１の傾斜ミラー（Ｋ３）によって反射された光を前記第２の傾斜ミラーマトリックス（５）の前記第２の傾斜ミラー（Ｋ５）上に結像させる中継レンズ系（３５）を有する結像レンズ系（４）と、
   画像を生成するために、前記第２の傾斜ミラーマトリックス（５）の前記第２の傾斜ミラー（Ｋ５）によって反射された光を投影する投影レンズ系（６）と
   を備え、
   前記結像レンズ系（４）は補正要素（１８、２０、２３、２６、２７）を更に有し、該補正要素は、前記第１のカバーガラス（１１）及び前記第２のカバーガラス（１２）を斜めに通り抜ける光によって引き起こされる少なくとも１つの画像誤差を補正する投影装置。
2. 前記中継レンズ系（３５）は、モノセントリック光学ユニットとして形成される、請求項１に記載の投影装置。
3. 前記中継レンズ系（３５）は光学軸を有し、前記第１の傾斜ミラーマトリックス（３）及び前記第２の傾斜ミラーマトリックス（５）のそれぞれの前記第１の傾斜ミラー（Ｋ３）及び前記第２の傾斜ミラー（Ｋ５）の中心点はそれぞれ、第１のＤＭＤ面（９）及び第２のＤＭＤ面（１０）内に存在し、前記第１の傾斜ミラーマトリックス（３）及び前記第２の傾斜ミラーマトリックス（５）はそれぞれ、前記第１のＤＭＤ面（９）及び前記第２のＤＭＤ面（１０）がいずれの場合も前記光学軸と９０度に等しくない角度を成すように位置する、請求項１または２に記載の投影装置。
4. 前記第１の傾斜ミラーマトリックス（３）及び前記第２の傾斜ミラーマトリックス（５）は、前記第１のＤＭＤ面（９）及び前記第２のＤＭＤ面（１０）が一致するように位置する、請求項３に記載の投影装置。
5. 前記補正要素（１８、２０、２３、２６、２７）は曲面を有し、該曲面は自由曲面として形成され、該曲面の曲率は、互いに垂直に延びる２つの断面内で異なるように変化し、前記曲面上の位置によって異なる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の投影装置。
6. 前記補正要素（１８、２０、２３、２６、２７）は屈折要素として形成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の投影装置。
7. 前記中継レンズ系（３５）は、湾曲した鏡面を有するミラーを有し、該ミラーは、前記屈折要素（１８、２０）の金属化された面によって形成される、請求項６に記載の投影装置。
8. 前記屈折補正要素（２３、２６）は、前記第１の傾斜ミラーマトリックス（３）から前記第２の傾斜ミラーマトリックス（５）上に結像する光が厳密に一度だけ通り抜けられるように位置する、請求項６に記載の投影装置。
9. 前記屈折補正要素（１８、２０）は、前記第１の傾斜ミラーマトリックス（３）から前記第２の傾斜ミラーマトリックス（５）上に結像する光が厳密に二度だけ通り抜けられるように位置する、請求項６または７に記載の投影装置。
10. 前記中継レンズ系（３５）は、凹形の球状鏡面を有する一次ミラー（１３）と、凸形の球状鏡面を有する二次ミラー（１４）とを有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の投影装置。
11. 前記中継レンズ系（３５）は純粋に反射性に形成される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の投影装置。
12. 前記中継レンズ系（３５）は反射屈折レンズ系として形成される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の投影装置。
13. 前記中継レンズ系（３５）は純粋に屈折性のレンズ系として形成される、請求項１〜９のいずれか一項に記載の投影装置。
14. 前記補正要素は反射要素として形成される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の投影装置。
15. 前記中継レンズ系（３５）は、厳密に１つの対称面に対して鏡面対称に形成される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の投影装置。

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