JP2021067834A

JP2021067834A - 光学システム及び投影装置

Info

Publication number: JP2021067834A
Application number: JP2019193545A
Authority: JP
Inventors: 裕紹山本; Hirotsugu Yamamoto; 修一富永; Shuichi Tominaga; 一樹河合; Kazuki Kawai
Original assignee: Kowa Co Ltd
Current assignee: Kowa Co Ltd
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2021-04-30

Abstract

【課題】光学的に像面補正を容易に行うことができる光学システムを提供する。【解決手段】光学システム１００は、画像表示面１１に表示される平面画像Ｆ０を結像させる結像光学系と、結像光学系により形成された結像面Ｐを、非平面形状の投影面３０に投影する投影光学系と、を備え、結像面Ｐに、非平面形状の反射面を有する像面補正ミラー２３が配置されており、画像表示面１１と、結像面Ｐと、投影面３０とが光学的に共役になっている。像面補正ミラー２３の反射面が投影面３０の形状に対応した形状を有することが好ましく、像面補正ミラー２３が球面ミラー又は非球面の曲面ミラーであってもよいし、デフォーマブルミラーであってもよい。【選択図】図１

Description

本発明は、画像表示面に表示される平面画像を投影面に投影するための光学システム、非平面形状を有する物体表面を平面画像として撮像するための光学システム及び投影装置に関する。

従来、画像表示器やマスクパターン等で表示された平面画像を、スクリーンや基板等の投影面に投影する場合、平面画像の表示面と投影面とが瞳面共役となるように配置した光学系を用いることが一般的である。このような瞳面共役な光学系において、瞳面上の波面を補正して投影画像の画質を向上させる提案は、従来より数多くなされている。

一方、平面画像を投影する投影面は必ずしも平面であるとは限らず、球面であったり、非球面の曲面であったり、三次元形状を持つオブジェクトであったりすることもある。このような場合、平面画像をそのまま投影面に投影すると、投影された画像には歪みが生じてしまい、また投影光学系と投影面との位置関係が変わることによって焦点深度の影響から画質が劣化してしまう。このような問題を解決して球面等の非平面的な投影面に平面画像を投影すべく、投影装置における結像光学系や投影光学系の被写界深度を拡大したり、投影レンズ自体を球面等への投影に適するように最適化したり、投影レンズと投影面との間に光学部品を配置したりといった様々な提案が従来よりなされている。

ところで、前述のように平面画像の表示面と投影面とが瞳面共役となるように配置した光学系を備える投影装置においては、瞳面は空中像であるため、瞳面において像を補正することができず、平面の像を球面等の非平面的な投影面に歪むことなく投影すべく、光学的に像面補正を行うのが困難であるという問題がある。

また、非平面的な表面形状を有する物体の表面を平面画像として撮影する場合に、物体表面と撮像素子の配置位置とが瞳面共役となるように配置した光学系を備える撮像装置においても、同様の問題が生じる。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、光学的に像面補正を容易に行うことができる光学システムを提供することを目的とする。また、そのような光学システムを備えた投影装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第一に本発明は、画像表示面に表示される平面画像を結像させる結像光学系と、該結像光学系により形成された結像面を、非平面形状の投影面に投影する投影光学系と、を備え、前記結像面に、非平面形状の反射面を有する像面補正ミラーが配置されており、前記画像表示面と、前記結像面と、前記投影面とが光学的に共役であることを特徴とする光学システムを提供する（発明１）。

上記発明（発明１）によれば、画像表示面、結像面及び投影面が光学的に共役な関係に配置されているため、結像面において像を補正することで平面画像を非平面形状の投影面に歪みなく投影することができる。すなわち、結像面に配置された像面補正ミラーの非平面形状の反射面に平面画像が結像することにより、当該反射面の形状によって像面補正された画像を投影面に投影することができるため、像面補正ミラーの反射面の形状を適切に調整することにより、光学的に像面補正を容易に行うことができる。

上記発明（発明１）においては、前記像面補正ミラーの反射面が前記投影面の形状に対応した形状を有することが好ましい（発明２）。

上記発明（発明１，２）においては、前記像面補正ミラーが球面ミラー又は非球面の曲面ミラーであってもよい（発明３）。

また、上記発明（発明１，２）においては、前記像面補正ミラーがデフォーマブルミラーであってもよい（発明４）。

第二に本発明は、前記画像表示面を有する画像表示器と、前記平面画像を前記投影面に投影する発明１から４のいずれか１つの光学システムと、を備えた投影装置を提供する（発明５）。

第三に本発明は、非平面形状を有する物体表面を結像させる結像光学系と、該結像光学系により形成された結像面を平面画像として撮像する撮像素子を有する撮像光学系と、を備え、前記結像面に、非平面形状の反射面を有する像面補正ミラーが配置されており、前記物体表面と、前記結像面と、前記撮像素子とが光学的に共役であることを特徴とする光学システムを提供する（発明６）。

本発明に係る光学システム及び投影装置によれば、光学的に像面補正を容易に行うことができ、その結果、平面の像を球面等の非平面的な投影面に歪むことなく投影することが可能となる。また、球面等の非平面的な物体表面を平面画像として歪むことなく撮像することが可能となる。

本発明の実施形態に係る投影装置の光学構成図である。本実施形態における像面補正ミラーによる補正画像の形状を模式的に示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下で説明される実施形態は例示であり、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。

図１に示すように、本実施形態に係る投影装置１００は、画像表示部１１を有する画像表示器１０と、画像表示部１１に表示される平面画像Ｆ_０を球面スクリーン３０に投影するための光学システム２０とを備えている。光学システム２０は、リレーレンズ群２１と、ビームスプリッター２２と、非平面形状の反射面を有する像面補正ミラー２３と、投影レンズ群２４とにより構成されている。

画像表示器１０は平面画像Ｆ_０を画像表示部１１に表示する機能を有するものであり、例えば、画像表示素子によって画像を表示するものであってもよいし、マスクパターンと当該マスクパターンを照明する照明装置とからなる、露光装置の一部を構成するマスク照明機構であってもよい。画像表示器１０の画像表示部１１は、本願発明における「画像表示面」の一例である。

画像表示部１１に表示された平面画像Ｆ_０は、光学システム２０のリレーレンズ群２１によりビームスプリッター２２へと導かれ、ビームスプリッター２２によってリレーレンズ群２１の光軸と直交する方向に曲げられて一次結像面Ｐにおいて結像する。このビームスプリッター２２によって曲げられた光軸方向は、後述する投影レンズ群２４の光軸方向と一致している。ここで、画像表示部１１からリレーレンズ群２１及びビームスプリッター２２を介して一次結像面Ｐに至るまでの光路が、光学システム２０における結像光学系を構成している。

一次結像面Ｐには像面補正ミラー２３が配置されており、一次結像面Ｐ（すなわち像面補正ミラー２３の反射面）で結像した補正画像Ｆ_１がビームスプリッター２２方向に反射される。本実施形態においては、像面補正ミラー２３として球面ミラーが採用されている。一次結像面Ｐは本願発明における「結像面」の一例である。なお、一次結像面Ｐの「一次」とは、最終的に光学システム２０によって平面画像Ｆ_０が投影面３０において結像することに対して「一次」ということを意味しているのであり、一次結像面Ｐが光学システム２０における最初の結像面である必要はなく、光学システム２０の結像光学系における平面画像Ｆ_０の結像面であればよい。

像面補正ミラー２３で反射された補正画像Ｆ_１は、ビームスプリッター２２を透過して光学システム２０の投影レンズ群２４へと導かれ、投影レンズ群２４によって補正画像Ｆ_１が球面スクリーン３０へと投影される。球面スクリーン３０は本願発明における「投影面」の一例である。ここで、一次結像面Ｐ（像面補正ミラー２３）からビームスプリッター２２及び投影レンズ群２４を介して球面スクリーン３０に至るまでの光路が、光学システム２０における投影光学系を構成しており、一次結像面Ｐからビームスプリッター２２との間の光路は結像光学系及び投影光学系の共通光路となっている。

本実施形態に係る光学システム２０においては、画像表示部１１と、一次結像面Ｐ（像面補正ミラー２３）と、球面スクリーン３０とが光学的に共役になるよう配置されている。すなわち、光学システム２０は、画面表示部１１、一次結像面Ｐ（像面補正ミラー２３）及び球面スクリーン３０が光学的に共役な像面共役の配置になっており、このような像面共役の配置にすることによって、平面画像Ｆ_０が歪みなく球面スクリーン３０に投影されるように、一次結像面Ｐに配置された像面補正ミラー２３において像面補正を行うことを可能としている。

像面補正について具体的に説明する。まず、平面画像Ｆ_０がリレーレンズ群２１によって一次結像面Ｐにおいて結像される場合、一次結像面Ｐに像面補正ミラー２３を配置すると、像面補正ミラー２３の反射面上に補正画像Ｆ_１が結像する。像面補正ミラー２３が球面ミラーであれば、反射面は軸方向に形状を有することになり、光軸上の中心点よりもその周辺点は早く反射することになるため、補正画像Ｆ_１は軸方向に形状が変更されたものとなる。

像面補正ミラー２３の反射による補正画像Ｆ_１の形状を模式的に図に示すと図２のようになる。光軸上の中心点が一次結像面Ｐにくるように像面補正ミラー２３を配置すれば、光軸上の中心点Ｃに向かう光線は一次結像面Ｐ上において補正画像Ｆ_１０として結像するが、周辺点Ａ_１に向かう光線はｄ_１だけ軸方向（入射方向）にずれた位置にある像面補正ミラー２３の反射面で反射し、反射面からｄ_１だけ軸方向（入射方向）にずれた位置に補正画像Ｆ_１１として結像する。同様に周辺点Ａ_２に向かう光線はｄ_２だけ軸方向（入射方向）にずれた位置にある像面補正ミラー２３の反射面で反射し、反射面からｄ_２だけ軸方向（入射方向）にずれた位置に補正画像Ｆ_１２として結像する。このようにして補正画像Ｆ_１（補正画像Ｆ_１０、Ｆ_１１、Ｆ_１２・・・の集合体）は、像面補正ミラー２３の反射面の形状に即して、全体として軸方向に形状が変更されたものとなる。

一次結像面Ｐ（像面補正ミラー２３）と球面スクリーン３０とは共役関係にあるため、平面画像Ｆ_０を一次結像面Ｐに配置した像面補正ミラー２３で反射させて光軸方向に形状変化させた補正画像Ｆ_１を、投影レンズ群２４を介して球面スクリーン３０に投影させれば、投影画像Ｆ_２は補正画像Ｆ_１と同様に光軸方向に形状変化させたものとなる。すなわち、像面補正ミラー２３の反射面が球面スクリーン３０（投影面）の形状に対応した形状を有するように制御することにより、結果として平面画像Ｆ_０が歪みなく球面スクリーン３０に投影されることになる。したがって、投影面が球面スクリーンであれば、像面補正ミラー２３は球面ミラーとすることが好ましく、投影面の形状によっては像面補正ミラー２３を非球面の曲面ミラーとしてもよい。

また、像面補正ミラー２３をデフォーマブルミラーとし、投影面の形状に合わせて反射面の形状を変更可能に構成することにより、光軸方向に複雑な形状を有する投影面（例えば三次元形状を持つオブジェクト等）に対しても、平面画像を歪みなく投影することができる。さらに、像面補正ミラー２３をデフォーマブルミラーとすれば、投影面の形状に起因する投影画像の歪みのみならず、大気の揺らぎに起因する投影画像の揺らぎを補正することも可能となる。

以上、本発明に係る投影装置について図面に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変更実施が可能である。例えば、上記実施形態は、本願発明の一例として画像表示面に表示される平面画像を投影面に投影するための光学システムを実現したものであるが、同様に非平面形状を有する物体表面を平面画像として撮像するための光学システムを実現することも可能である。

上記実施形態では画像表示面、結像面及び投影面が光学的に共役な関係に配置されているため、投影面上から発せられた光は光路を逆方向に伝搬して画像表示面上に収束する。そのため、画像表示面の位置に二次元のイメージセンサー（撮像素子）を配置することにより、投影面に配置された三次元形状を有する物体表面を当該イメージセンサー上に結像することができる。すなわち、上記実施形態の投影装置１００における結像光学系が撮像光学系に、投影光学系が対物光学系に置き換わった撮像装置も同様の作用・効果を奏する。

このような、非平面形状を有する物体表面を結像させる対物光学系と、対物光学系により形成された結像面を平面画像として撮像する撮像素子を有する撮像光学系と、を備えた撮像装置（撮像のための光学システム）においても、結像面に、非平面形状の反射面を有する像面補正ミラーが配置されており、物体表面と、結像面と、撮像素子とが光学的に共役であることにより、光学的に像面補正を容易に行うことができ、その結果、球面等の非平面的な物体表面を平面画像として歪むことなく撮像することが可能となる。また、大気の揺らぎに起因する撮像画像の揺らぎを補正することも可能となる。

１００投影装置
１０画像表示器
１１画像表示部（画像表示面）
２０光学システム
２１リレーレンズ群
２２ビームスプリッター
２３像面補正ミラー
２４投影レンズ群
３０曲面スクリーン（投影面）
Ｐ一次結像面（結像面）

Claims

画像表示面に表示される平面画像を結像させる結像光学系と、
該結像光学系により形成された結像面を、非平面形状の投影面に投影する投影光学系と、を備え、
前記結像面に、非平面形状の反射面を有する像面補正ミラーが配置されており、
前記画像表示面と、前記結像面と、前記投影面とが光学的に共役であることを特徴とする光学システム。
前記像面補正ミラーの反射面が前記投影面の形状に対応した形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の光学システム。
前記像面補正ミラーが球面ミラー又は非球面の曲面ミラーであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光学システム。
前記像面補正ミラーがデフォーマブルミラーであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光学システム。
前記画像表示面を有する画像表示器と、
前記平面画像を前記投影面に投影する請求項１から４のいずれか１項に記載の光学システムと、を備えた投影装置。
非平面形状を有する物体表面を結像させる対物光学系と、
該対物光学系により形成された結像面を平面画像として撮像する撮像素子を有する撮像光学系と、を備え、
前記結像面に、非平面形状の反射面を有する像面補正ミラーが配置されており、
前記物体表面と、前記結像面と、前記撮像素子とが光学的に共役であることを特徴とする光学システム。