JP7282721B2 - 光学自由曲面を含む投影装置および投影方法 - Google Patents

Description

本願発明は、屈折光学的自由曲面を有する投影装置および投影方法に関する。実施形態は、自由曲面アレイ投影を示す。実施形態によれば、自由曲面は、対物光パターンによる投影装置の投影光学系のケーラー(Koehler)照明を生成する。

ビーム整形器／投影ユニットは、一般的な照明における背景および強調照明のような多くの応用分野における任意の構造化照明を生成する場合に採用されてもよく、自動車用とのための定義された放射プロファイルを生成する場合、例えば測定目的のための物体上の光パターンを生成する場合などに採用されてもよい。情報は、光学的に可視化することができ、ここで、これは、実際のターゲットを照明することと、目に見える虚像（virtual image）を生成することとの両方によって行われてもよい。

異なる解決方法間の比較を客観的に行うことができるようにするために、そのようなビーム整形器／投影ユニットのいくつかの関連する特徴量を以下に簡単に要約する。以下の特徴量は、照明および投影タスクにおけるほとんどの用途に関連する。

（Ａ）十分に大きな光束／光出力を確保すること
（Ｂ）光学系の厚みを重視した小型、小型化された光学系
（Ｃ）光学系を通した高出力伝送／パワー効率
（Ｄ）ほとんどの異なる光分布を生成する方法：
－粗い分布、滑らかな分布、弱く変化する分布
－作品における例えば高解像度画像のような、高い解像度を有する、微細な、高度にパターン化された光分布
－小さいコントラストから非常に高いコントラストまでの範囲（照明なしの照明範囲内のターゲット領域など）
－任意の辺の幾何学
－組合せの異なる要件の大部分
（Ｅ）空間的な光源の不均質性、特に色混合の方法に対する均質化効果、特に光源位置および光源配置に対する十分な許容

（ｉ）単一チャネルの巨視的プロジェクタを有する光分布のパターン照明および投影はよく知られている[Malacara]。ターゲット上の任意の所望の光分布（Ｄ）を生成することができる。しかしながら、光は、例えば、吸収性スライドまたはダイナミックイメージャによって薄れてしまい、パワー効率（Ｃ）を著しく損なう可能性がある。通常、ケーラー照明の原理が適用され、これは光源の空間領域をターゲットの光領域（Ｅ）に変換することを意味するが、ハニカム集光[Pan]を使用する場合と同様にさらに光の混合を具体的に導入する必要がある。単一チャネルプロジェクタ（Pan、US2006/0285078A1）の小型化、すなわち、光学系の高さの減少、を行う場合、光学系の面積または表面を同時に縮小しなければならず、これは透過光束（Ａ）を減少させる必要がある。

（ｉｉ）非常に高いパワー効率（Ｃ）の任意の所望のパターン化された照明パターンを生成するために、屈折または反射照明自由曲面を使用することができる[Ries、Oliker]。この種の自由曲面の照明は、屈折または反射光の再分配に基づいており、主に吸収または減衰構造を必要としない。通常、光源光は、追加の投影装置なしでターゲットに転送される。測定目的のためのストリップパターンを生成することは、出願［DE102011014779A1］の実施例として言及されるべきである。しかしながら、この種の自由曲面の再分配を適用すると、かなりの欠陥が示される。光の再分配では、自由曲面に入射する光分布（すなわち、光源分布または一次光学系によって変更された光源分布）が周知でなければならず、変化を受けてはならず、それは、系が、比較的耐性がないことを意味する（E）。この場合、均質化および光混合効果およびケーラー照明などは存在しない。上述したマクロプロジェクタと同様に、ここでも小型化および光束問題が適用される（Ａ，Ｂ）。しかしながら、最大の欠点は、現実的な光源分布のための光分布生成における限界解像度である[Zwick]。ターゲット上の非常に細かい光分布パターンは、光源分布がほぼ波面として、すなわち例えば非常によく集束された光源放射または非常に小さい光源面積を用いて記述できる場合にのみ生成できる。さもなければ、その結果は、一方では光学設計において考慮されなければならない比較的強いぼけまたはスメアリング効果であり[Wu]、他方では微細な対象パターンを防止しなければならないことである。この理由から、再分配の自由曲面の最もありがちな実用上の応用は、非常に滑らかなあるいは均質な照明を生成することである[Luo、Wu、Zhao]。

（ｉｉｉ）投影光学系と自由曲面光学系とを接続する場合、基本的に２つの傾向が見られる。一方では、上記のような再分配自由曲面は、スライドまたはイメージャまたは光ミキサの良好な均質照明のために使用される[Zhao、Minano]。他方、結像自由曲面、すなわちプロジェクタの光照明経路内の自由曲面素子は、より高い結像品質のよりコンパクトな光学系をもたらすことができる[Rico、US8717671B2、US8616711、US2015/0205099A1]。しかしながら、（ｉ）で述べたような欠点は、これによって減少するものではない。

（ｉｖ）（ｉ）で説明したような低光束、すなわち光学系の高さを減少させたときのターゲット上の輝度が低くなる欠点は、いわゆるアレイプロジェクタによって解決されている[DE102009024894A1、DE102011076083A1、Sieler]。少なくとも１つの集光レンズレットを有する複数の光チャネル、結像される対象パターンおよび１つの光チャネル当たり少なくとも１つの投影レンズレットを使用することによって、光学系の高さが低減され、しかも高い光束が確保される。均質化と光の混合効果、光源分布に対するケーラー照明の原理と許容範囲がここで見つけることができる。しかしながら、潜在的に低いパワー効率またはシステム伝送の問題が依然として存在する。結像すべき物体パターンの結果として光を吸収するかまたはフェージングさせることにより、かなりの伝送損失が生じる可能性がある。かなりの損失は、たとえば、照明強度が最大であるグレースケールプロファイルを生成するとき、より明るくないかまたは背景照明がない場合に狭い光パターン特徴を形成するとき、あるいは照明されるべき実領域または虚像領域の非自明な境界を生成するときに生じる。

したがって、周知の単一チャネルプロジェクタまたは照明構成は、プロジェクタ／照明構成の小型化が光束の透過の減少を伴うという欠点を示す。さらに、実際の入力光分布を有する自由曲面の光再分配を有する現在の照明構成は、かなりの欠点を示し、空間的に高い周波数の照明パターンを生成するために、ほぼコリメートされた入力光または小さな光源領域のみで使用することができる。さもなければ、結果は、比較的強いスメアリングまたはぶれ効果であり、その結果、投影された画像において微細なパターンを生成することができない。加えて、そのようなシステムは光学的に不耐性である。さらに、プロジェクタの開口は、プロジェクタの入力光束を大幅に低減することができ、その結果、パワー伝送が大幅に低減される。

米国特許出願公開第２００６／０２８５０７８号明細書 独国特許出願公開第１０２０１１０１４７７９号明細書 米国特許第８６１６７１１号明細書 米国特許出願公開第２０１５／０２０５０９９号明細書 米国特許第８７１７６７１号明細書 独国特許出願公開第１０２００９０２４８９４号明細書 独国特許出願公開第１０２０１１０７６０８３明細書

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したがって、本願発明の根底にある目的は、画像を投影するための、またはパターン化された照明のための改良された概念を提供することである。

この目的は、独立請求項の主題によって達成される。さらなる本願発明の実装形態は、従属請求項に定義されている。

実施形態は、少なくとも１つの光源および光チャネルのアレイを含む投影装置を示し、各チャネルは、第１および第２の屈折光学自由曲面および投影光学系を含む。第１および第２の屈折光学自由曲面は、光源と投影光学系との間に配置され、物体光パターンによって投影光学系のケーラー照明を引起こし、その結果、投影光学系の像面に像が投影される像が生じ、光チャネルのアレイの像は、互いに重畳される。従って、光チャネルの画像を重畳することによって、全体の光分布または全体的な結像または全体的な画像を得ることができる。投影光学系によって結像される光パターンは、対物光パターンとみなされる。換言すれば、対物光パターンは、従来のアレイプロジェクタとは対照的に、結像時にスライドが使用されるのではなく、光分布が使用される、対象物である。

本願発明の基礎を成すアイデアは、光路内に配置された２つの屈折光学自由曲面によって、光の再分配および光源の光の角度分布の変化を得るためにケーラー照明を使用しており、投影光学系を用いて投影像に表現することができる対物光パターンを生成する。対物光パターンは、実物と虚像の両方であってもよい。入射光は、コリメートされても発散してもよい。換言すれば、対物光パターンは、投影光学系が光分布を用いて画像を投影するように投影光学系内に光分布を生じさせることができる。屈折光学自由曲面を用いることにより、少なくとも完全に反射防止された面で、投影された像または照明ターゲットへの光入力パワーを完全に伝達することが可能になる。したがって、全体的な光出力の損失を低減することができ、より明るく、より強く照明された画像を投影または結像することができる。すなわち、ターゲットまたは像面に対する放射照度を増加させることができる。放射照度および強度という用語は、その後、同義語として使用され、両方の用語は、コリメートされた光およびコリメートされていない光または発散光の両方に関連する。特に、強度という用語は、専らコリメートされた光に限定されない。

上記の原理は、投影光学系の自由曲面光分布とケーラー照明とを組み合わせることによってかなり改善することができる。ケーラー照明は、空間的な光源パターンが投影光学系の入射瞳に収差的に結像されることを意味する。換言すれば、光源は、ケーラー照明によって、投影光学系の平面または（湾曲した）表面に結像される。前記平面または表面は、投影光学系の入射瞳である。すなわち、入射瞳における空間的な光分布は、光源パターンによって決定される。しかしながら、自由曲面の光再分配のために、入射瞳における角度分布情報は、達成されるべき照明分布によって決定される。投影光学系の入射瞳の後方にある投影装置における結果は、投影光学系によってターゲット上に結像される空間物体光パターンである。物体光パターンは、光源と投影光学系との間に位置する。自由曲面に近い対物光パターン（第１の自由曲面の前方の仮想物体光パターン、２つの自由曲面上またはその間の虚像対物光パターン、第２の自由曲面の後の実対物光パターン）は、発散またはコリメートされていない入射光にもかかわらず、空間的に高周波数の情報を特に多く含むことができる。すなわち、空間的に高い周波数を持つ光分布特性が鋭い物体光パターンを生成することができる。このような物体光パターンが投影光学系によってピックアップされた場合、空間的に拡張された光源の発散光またはコリメートされていない光が使用されているにもかかわらず、ぼけ効果または重畳アーチファクトなしに、またはぼけ効果または重畳アーチファクトが低減された状態でターゲット上に照明パターンを生成することができる。投影光学系のケーラー照明を使用しない従来の自由曲面の照明コンセプトと比較したときのぼかし効果の目に見える減少は、少なくとも２０％、少なくとも４０％または少なくとも６０％の画像鮮明度の改善を可能にする。

実施形態によれば、投影装置は透過変調構造体を含むことができ、透過変調構造体は、投影光学系の像面内に投影される鮮明な画像を生成するために、光パターン上に空間的に高周波のパターンを強く影響させるように構成される。従って、画像は、例えば、より鮮明なエッジまたはより微細な構造を含む物体光パターンに基づいて結像することができるだけでなく、透過変調構造体を用いずに生成されたマッピングと比較して、滑らかな強度分布または放射照度に基づいて結像化されることができる。透過変調構造体は、例えば、光の透過率が異なる領域を含むか、または構造の領域が（主に）光を透過し、構造のさらなる領域が（主に）光を反射および／または吸収するように変調された開口、スライド、マスクまたはイメージャであってもよい。換言すれば、透過変調構造体に入射する光は、本質的にまたは専ら光透過領域において透過または通過され、透過変調構造体の光不透過領域に入射する光は（基本的に）反射または吸収され、従って、伝達されないか、または構造を通過することはない。透過変調構造体は結果的に光の強度変調を引き起こすが、ここで強度変調という用語はコリメートされ発散する光に適用され、特にコリメートされた光には限定されない。

さらなる実施形態によれば、透過変調構造体の光透過領域において、透過変調構造体の光不透過領域に対する放射照度と比較してより高い照度を得るために、第１および／または第２の光学屈折自由曲面は、透過変調構造体の光透過領域において、光源からの光の放射強度を増加させるように構成されてもよい。換言すれば、両方の光学屈折自由曲面は、透過変調構造体の透過領域または光透過領域、すなわち例えば開口、スライドまたはマスクの光分配（および光の角度分布）を行うことができる。これは、透過変調構造体によって吸収されるかまたは透過されない光の部分が低減され、したがって、画像を投影するための光強度または照射照度の増加が利用可能となるため、有利である。その結果、光強度または照度を上げて画像を投影することが可能になる。

この構成では、透過変調構造体は、第１および第２の光学屈折自由曲面によって予め成形された（最終的な）物体光パターンを形成することができる。したがって、投影光学系は、投影光学系の像領域内の物体光パターンによる照明を得るために、透過変調構造内にまたは少なくとも透過変調構造体の近傍に配置された対物面または対物領域を含むことができる。遠視野照明、すなわち無限遠の照明ターゲットを照明する場合、投影光学系の左側の焦点面、すなわち光源に面した焦点面は少なくとも透過変調構造体に近い位置となる。有限距離で投影装置まで（実在／虚像の）ターゲットを照明する場合には、投影光学系の対物面または対物領域を透過変調構造体に近づけるために古典的な結像法則[Born－Wolf]が適用される。さらなる屈折光学自由曲面は、物体光パターンに類似する透過変調構造体の平面内の光パターンを得るために、光再分配を実行する。物体光パターンに対する光パターンの類似性は、対象を認識すること、または少なくとも粗い構造または少なくとも位置を照合することに関連する。従って、物体光パターンは、よりシャープな輪郭または一般により高い空間周波数を含むことができるが、パターンまたは粗い形状、または少なくとも投影されるべき画像の位置は、既に光パターンで認識され得る。結像のために提供される対物光パターンは、透過変調構造によって形成される。さらに、この実施形態の光学屈折自由曲面は、対物光パターンによる投影光学系のケーラー照明が得られるような方法で、入射光の角度分布の変化を生成する。

さらなる実施形態によれば、第１の屈折光学自由曲面は、空間光再分配を実行するように、および／または光源によって放射される光線の光線角度を制御するように構成できる。これに代えてまたはこれに加えて、第２の屈折光学自由曲面は、第１および第２の屈折光学自由曲面が互いに影響を及ぼすケーラー照明に従って収束するように光線を投影光学系に向け直すように構成することができる。特に、数学的観点から第１および第２の光学屈折自由曲面は、投影光学系のケーラー照明と新たに設けられた光分布に基づいて光パターンを生成できるような空間光再分配との両方を有するように、結合された微分方程式を解くことによって得ることができる。

さらなる実施形態では、実物光パターンに基づいて、光源と第２の屈折光学自由曲面との間の光路内に虚像物体光パターンを生成する第１および第２の屈折光学自由曲面が示されており、ここで、仮想物体光パターンは、投影される画像のマッピングであり、実物光パターンは、第１および第２の屈折光学自由曲面を透過した後に形成される。換言すれば、ここでは、第１および第２の屈折光学自由曲面は、第２の屈折光学自由曲面の前方に位置する虚像物体光パターンを生成する。比喩的に表現すると、第２の屈折光学自由曲面の後方にある実物光パターンの光ビームを延長することによっても同様に得ることができる。虚像物体光パターンは、投影光学系における実物光パターンが投影される画像としてどのように表現されるかを説明するための補助的な表現である。従って、投影光学系は、虚像物体光パターンが例示されている平面または表面に近い物体光パターンを使用して、最終的に同じものをターゲット上に結像させてもよい。すなわち、投影光学系の対物面は、虚像物体光パターンが得られる面に近接して配置されているか、あるいは面内に配置されている。また、最もぼかし効果の少ない（あるいは情報量が最も多い、あるいは最もシャープな内容の）虚像物体光パターンは、平面内に配置されていない複雑な形状をしていてもよい。この場合、ボケの少ない虚像物体光パターンと対物面とが一致しない場合があるので、投影光学系の対物面は、この虚像物体光パターンの中心位置、ひいてはそれに近い位置に配置することができる。それにもかかわらず、ここでの対物面は、少なくともおおよそ（部分的に）、狙った虚像物体光パターン内にある可能性がある。複雑な形状を有するこのような物体光パターンを改良された方法またはよりシャープな方法で結像化することができるようにするために、投影光学系は、投影光学系のオブジェクト領域が物体光パターンの形状とよりよく一致するように、さらなる自由曲面を用いて実施されてもよい。物体光パターンが（平面）平面の形状を有する場合、投影光学系の物体光パターンの対物面は、物体光パターンが表現されるその平面内にあることになる。そうでなければ、向けられた物体光パターンではなく、隣接する光パターンが結像され、それが物体光パターン（照準されていない）となる。

さらなる実施形態は、投影光学系が、実投影面または虚像投影面上に投影される画像を結像するように構成され、光学チャネルのアレイの投影光学系が、実投影面または虚像投影面上に投影される画像を重ね合わせるように構成されることを示す。投影光学系は、壁のような実投影領域または表面（ターゲット）に投影される画像をイメージすることができるので、これは有利である。さらに、または代替的に、投影装置はまた、理論的には無限遠の実像しか得られないが、目のようなさらなるレンズを使用して実投影面上にイメージ化することができる虚像を投影してもよい。この場合、目は、無限の距離に調整されるであろう。類推的には、投影装置はまた、素子に対して有限の距離にある虚像を生成してもよく、目のようなさらなる光学系を使用して、この画像を実際の投影面に持ってくることができる。この場合、目は、有限の物体距離に調整されるであろう。すなわち、光学チャネルのアレイの個々のチャネルは、同じ被写体を有するそれぞれの画像を実投影面または虚像投影面に重ね合わせるように構成されていてもよい。これは、本実施形態に従って、各チャンネルが、例えば、明るさ分布または波長範囲が異なる（すなわち、例示的には、異なる基本色を構成する）可能性がある同じ被写体を有する画像を生成し、異なるチャンネルからの画像を重ね合わせることにより、投影面上の改善された光分布が得られるので、利点である。これは、不均一な光源分布の光分布の均質化をもたらす。さらに、色付き光源装置の改善された色の混合は、これによって達成され得る。最後に、光源の配置または光学系の製作の不正確さに対するシステムの許容度が増加する。このように、全体的な結像の被写体は、光学チャネルの投影された（個別の）画像から構成されてもよく、光学チャネルの画像は、それぞれが異なる被写体を構成する。個々の画像は、例えば、画像遷移の不連続性を避けるために、２つのチャネルの画像が例示的に半分または４分の１ずつ重なるように、投影面上に配置される。換言すれば、投影された（個々の）画像における画像エラー（例示的には、生産上の不正確さによって引き起こされる）は、例えば、全体的な画像を形成するためにさらなる画像を重ね合わせることによって補償される明るさの不均一な分布を示すことができる。あるいは、個々のチャネルまたはチャネルのグループは、実投影面または虚像投影面上に異なる画像を生成するように構成することができ、実投影面または虚像投影面上の全体的な画像は、異なる画像を互いに少なくとも部分的に重ね合わせることによって生成される。これは、合成された全体的なイメージが、同じサイズの個々の画像では、かなり複雑さを増して図示されるだけの可能性があるチャンネルの個々の投影画像から生成されることができるので、有利である。これは、例えば、投影光学系の大きな放出角が投影面を照射または照明するために有利である場合に起こり得る。

さらなる実施形態では、異なる波長領域を処理するように構成された少なくとも２つのチャネルまたはチャネルの２つのグループが示され、ここで、第１のチャネルまたはチャネルの第１のグループは、第１の波長領域における結像誤差を低減し、第２のチャネルまたはチャネルの第２のグループは、第２の波長領域における結像誤差を低減する。このように、異なる光チャネルは、異なる波領域に対して最適化されているので、より正確な投影を提供することができ、例えば、チャネルが最適化されている波長領域において、より低いアンシャープネスまたは色収差を有する投影を提供することができる。さらに、ここでの投影装置は、複数のカラーフィルタまたは複数の異なる波長域の光源を構成してもよく、ここで、複数のカラーフィルタまたは複数の光源は、第１のチャネルまたは第１のチャネル群において第１の波長域の光を導光し、第２のチャネルまたは第２のチャネル群において第２の波長域の光を導光するように構成されている。したがって、好ましくは、アレイ内の１つのチャネルまたはチャネルの１つのグループは、例えば、赤、緑、および青の３つの基本色に対してそれぞれ最適化されていてもよい。光学構造を個々の波長範囲にチューニングまたは調整することにより、画像誤差を低減することができ、それにより、画像を投影する際に、色のついた個々の画像を重ね合わせて全体的な画像を形成することができ、これは、例えば、白色光に調整されたチャネルによって生成された全体的な画像と比較して、例示的には、改善されたシャープネス、または、例えば、色縁のようなアーチファクトまたは収差を低減した全体的な画像を構成する。

さらなる実施形態によれば、光学チャネルの配列の全チャネルの光学構造は、平面基板上および／または平面内に配置される。この配置は、製造の複雑さを増大させる必要がなく、したがって、安価に製造することができるので、有利である。ここでいう光学構造とは、例えば、第１および第２の屈折光学自由曲面、および任意にさらに屈折光学自由曲面、投射光学系、および任意にさらに投影レンズ、および透過変調構造体のように、光チャネル内の光分布に影響を及ぼすすべての要素を総括するものである。

さらなる実施形態によれば、少なくとも１つの光学構造体は、投影光学系の像面内に非対称な光分布を生成するように構成されてもよく、ここで、光学構造体は、隣接する光チャネルの相互に隣接する光学構造体間の不連続性を低減するために傾斜面上に配置され、投影光学系は、非対称な光分布に基づいて像を投影するように構成されている。投影画像における非対称な光分布が所望される場合、屈折光学自由曲面は、例示的には、光分布の非対称性を生じる斜めまたはプリズム状の表面部分を構成する。光学構造を平面内に配置する場合、例示的には、投影画像のアーチファクトを引き起こす可能性のあるジャンプまたは不連続性は、隣接するチャネルの光学構造体が互いに境界を接する表面で生じるであろう。光学構造体を傾斜面上に配置することにより、隣接する光学構造体間の不連続性の程度またはジャンプの程度が低減され、ここでのアーチファクトも低減される。さらなる実施形態によれば、第１および第２の屈折光学自由曲面それぞれおよび投影光学系は、少なくとも曲面上の光学チャネル内に配置されてもよく、ここで、光学チャネルの主放射角度は、画像を重ね合わせる際に、投影アーチファクトおよび／または光学的に不活性な領域および／またはアレイチャネル間の不感帯（dead zones）を低減または回避するために調整される。この配置は、例えば、光学チャネルのアレイのすべてのチャネルが共通の包絡線上に配置されている場合に有利であり、個々のチャネルの主放射角は、上述の効果を最小化し、数学的な観点から、投影画像を重ね合わせた後に、可能な限り最良の全体的な画像を得るために、個々に調整することができる。

さらに、実施形態では、少なくとも１つの光源および任意の一次光学系と、隣接する光学チャネルとから構成される、後にビーム整形器／投影ユニットまたは自由曲面アレイプロジェクタとも称される投影装置が示されている。各光学チャネルは、少なくとも２つの屈折自由曲面、投影レンズ／光学系、および１つまたは複数の透過変調構造体を含む。入射側に配置された光学自由曲面は、一方では空間的な実光または虚像光パターンが形成され、他方では下流の投影レンズ／光学系のケーラー照明が許容されるように、空間的な光の再分配と放射角度の制御の両方を引き起こす。

投影レンズ／光学系は、自由曲面光再分配および透過変調装置によって生成された光パターンを、１つまたは複数の実物または虚像ターゲット上に転送し、全体的な光分布は、個々のチャンネルの個々の光分布を重ね合わせることによって形成される。

単にアレイプロジェクタで光を再分配する自由曲面を使用することは、ほとんど意味がない。さらに、少なくとも２つの自由曲面を使用して、その効果が結合されていることが有利である。

実施形態に従って、ビーム整形器／投影装置は、同時に大きな光束（Ｂ）を有するコンパクトな超薄型光学系（Ａ）である。滑らかな／粗いパターンの両方の光分布を自由形質光再分配によって生成することができ、自由曲面光再分配と透過変調構造体（Ｄ）を組み合わせることによって、所望のほぼすべてのコントラストを有する非常に微細な高解像度光パターンを生成することができる。自由曲面光再分配を適用することで、光学系のパワー透過率を大幅に向上させることができる（Ｃ）。非常に微細な高解像度のターゲット光パターンでは、光学系内の実際の光パターンは、自由曲面光再分配によって生成され、これは、透過変調構造体（開口部のような）に非常によく適合しており、したがって、光の損失フェージングを強力に減少させる。少ない微細なターゲット光分布では、損失のない自由曲面光再分配を排他的に適用することができ、透過変調された構造は、むしろ散乱と迷光の最小化のために役立つ。ここで特に強調しなければならないのは、従来の自由曲面光再分配における(ｉｉ)で説明したパターンのスメアリングやブレが、我々の新しい光学系によって非常に強力に低減されるということである。２つの自由曲面の共通の効果により、光学系内での結果は、投影レンズ／光学系によってターゲット上に転写される少しぼやけた物体光のパターンとなる。この場合、虚像物体光のパターンが頻繁に使用され、これは結像投影レンズ／光学系によってピックアップされなければならない。結像投影光学系は、最も簡単な場合には、単一のマイクロレンズであってもよい。結像品質を向上させるために、多面光学系が使用されてもよい。非自明に分布した「物体光パターン」を用いて、また、非自明のターゲット形状を用いて、結像投影光学系におけるさらなる自由曲面が有利である。最も異なる種類のターゲット光パターンに加えて、光源領域の空間的不均一性がターゲット上で視認されないように、光学系によってケーラー照明原理が適用される（Ｅ）。個々のチャネルの光分布をターゲット上に重ね合わせると、全体的な光分布が得られる。少なくともいくつかのチャネルが、それぞれが準平等な光の部分分布を有する平等なターゲット領域を提供する場合、光の混合および光学系の均質化効果という結果をもたらす（Ｅ）。

本願発明の有利な実施形態によれば、光の再分配および光の角度分布の適応を行うために、光チャネル内にそれらの効果で結合された少なくとも２つの自由曲面を配置することが有利である。

以下、添付図面を参照して、本願発明の好適な実施形態を詳細に説明する。

図１は、投影装置の概略図を示す。 図２は、ビーム整形器／投影ユニットまたは投影装置の本願発明の実施形態の概略図である。 図３Ａは、３つの屈折面と開口構造を有する実施形態を用いた効果の原理を説明するための、ビーム整形器／投影ユニットの単一チャネル（ここではチャネル傾斜なし）の概略図である。 図３Ｂは、３つの屈折面と開口構造を有する実施形態を用いた効果の原理を説明するための、ビーム整形器／投影ユニットの単一チャネル（ここではチャネル傾斜なし）の概略図である。 図４は、単一のチャネルを使用する排他的な自由曲面のビーム再分配による最小構造ぼけを有する仮想物体パターン平面の概略図である。 図５は、簡略化されたモデルおよび従来のアレイプロジェクタとの相違を使用して、排他的な光再分配を有する自由曲面アレイプロジェクタのいくつかの特性を示す概略図である。 図６は、空間光パターンを得てビームの角度分布を制御するために２つの自由曲面を同時に設計する基本的な考えを説明するための２つの自由曲面の概略図であり、図６（ａ）は、コリメートされた入力強度を特定のバンドルされた出力強度に再分配させるための自由曲面レーザビーム整形の図を示し、自由曲面の表面は楕円体／円錐の対の組に分解され、関連する焦点は相手方を構成する基本要素に配置される。図６（ｂ）は、ある入力光強度パターンまたはある入力光強度構造を有する束ねられた光源からある光強度分布を有する理想的に収束する光束を生成することを概略的に示す図であり、２つの自由曲面は、入力楕円と出力楕円（デカルト楕円）のペアの組に分解される。図６（ｃ）は、ある入力光強度を有する束ねられた光源光からある光強度パターンまたはある光強度構造を有する特定の角度分布の収束光束を生成することを概略的に示す図であり、２つの自由曲面は、出力における入力楕円体と一般化デカルト楕円のペアの組に分解される。 図７は、従来のハニカム集光の一般化として透過変調構造体（吸収アパーチャなど）を有さない投影装置（または自由形状アレイプロジェクタ）の概略図であり、右側のインセットが光学チャネルの２つの照明自由曲面の表面プロファイルを示している。 図８は、１つまたはいくつかの均質または構造化されたおよび単色の、多色または白色放射光源（この場合、典型的にはマルチチップＲＧＧＢ光源）が存在する場合のケーラー照明および混合および均質化効果を説明するための自由曲面アレイプロジェクタの概略図である。 図９は、自由曲面の光再分配、吸収／反射光退色および結像の協働により生じた非常に高い空間周波数および高いシステム伝送でターゲットパターンを生成するための一実施形態による自由曲面アレイプロジェクタの概略図であり、１つのチャネルについて、右側のインセットは、吸収開口を示し、両方の照明自由曲面および左側のインセットの表面プロファイルは、光再分配の結果として光ビームが好ましくは開口を通って伝搬することを示す。 図１０は、図７と比較した場合の逆コントラスト条件での屈折光再分布によってターゲット光パターンを生成するための投影装置の概略図である。 図１１は、潜在的に不連続なチャネル遷移、擬似エッジ、不感帯、入力光などの不十分なコリメートの結果として散乱および迷光を最小化するための追加の開口構造（アパーチャ層／アパーチャ壁）を有する自由曲面アレイプロジェクタの概略図である。 図１２は、ターゲット上の矩形背景照明を有する明るい三角形パターンを生成するための自由曲面アレイプロジェクタの概略図であり、異なるチャネルの重畳は、ターゲットに適用され、左：全てのチャネルが、準均等単一チャネル照明でターゲットの同じ領域に作用し、右：チャネルの異なる群が、異なる単一チャネル照明でターゲットの異なる領域に作用し、インセットは光チャネルの２つの照明自由曲面の表面プロファイルを示す。 図１３は、個々のチャネルの主放射方向を必要とされるターゲット分布に適合させるために、全部／一部のチャネルに共通する下流および上流の追加光学表面／自由曲面を有する自由曲面アレイプロジェクタの概略図である。 図１４は、自由形状再分配による背景照明を加えない三角ターゲット分布を生成する投影装置の概略図であり、パワー分布の強い非対称性は、自由曲面の顕著なブレーズ特性（プリズム形状）によって達成されるが、異なるチャネル間の遷移時に光学表面の強い不連続性をもたらし、迷光の最小化のために開口構造を必要とする。 図１５は、入力側の第１の２つの自由曲面の間に開口を有する図１４の投影装置を示す図である。 図１６は、自由曲面アレイプロジェクタの概略図であり、入力側の第１の２つの自由曲面アレイは傾斜面上に配置され、投影レンズアレイは階段状構造上に配置され、これは、非対称の光分布で必要とされる自由曲面アレイのチャネル間の不連続性／急峻な遷移を強く最小限にすることを可能にし、製造を著しく容易にする。 図１７は、傾斜面上に投影レンズアレイを有し、迷光最小化のために第１の基板上に開口を追加導入した、図１６の投影装置を示す図である。 図１８は、付加的に傾斜された光源ユニット（コリメート光学系および／または光源の傾斜）を有する図１７の投影装置を示す図である。 図１９は、曲面上の光チャネルの配列を有する自由曲面アレイプロジェクタの概略図であり、ここで個々のチャネルの主放射角は、光屈折によってソースおよびターゲット分布に適合させることができ、同時に、チャネル間の不連続／急峻な遷移／不感帯／光学的に不活性な領域を低減または防止することができる。 図２０は、光チャネルの配置のためのタイリングまたはモザイクのタイプの異なる例の概略図である。 図２１は、個々のチャネルが、光学構造の適応による色収差補正を示すように、異なるチャネル領域内に異なるカラーフィルタを有する自由曲面のアレイプロジェクタの概略図である。 図２２は、画像を投影する方法の概略ブロック図を示す。

以下の図面の説明では、同一の要素または同等の効果を持つ要素には、その説明が異なる実施形態間で相互に交換可能であるように、同じ参照符号が付されている。

実施形態によれば、本願発明の目的は、パターン化された照明を生成するための、または潜在的に大きな光束を有する投影のための超薄型高効率光学素子を提供することであり、ここでは、追加的に、光源放射の均質化効果／色の混合が行われる。ほとんどの異なる構造的特徴（例えば、高解像度、高コントラストなどの微細パターンのような）を有する実および／または仮想ターゲット上の光分布が可能になる。

図１は、少なくとも１つの光源４と、アレイ状の光学チャネル６，６ａ，６ｂとからなる投影装置２の概略ブロック図である。各チャネルは、第１の屈折光学自由曲面８ａ，８ｂと、第２の屈折光学自由曲面１０ａ，１０ｂと、投影光学系１２とから構成されている。第１及び第２の屈折光学自由曲面８、１０は、光源４と投影光学系１２との間に配置され、投影光学系１２の画像領域において、投影されるべき画像１４ａ、１４ｂを形成する物体光パターン１２（実物光パターン１３ａ、１３ｂ及び仮想物体光パターン１３ａ´、１３ａ´´、１３ｂ´、１３ｂ´´の両方）による投影光学系１２のケーラー照明を引き起こし、ここで、光チャネル６のアレイの画像が互いに重ね合わされる。光源４は、実施形態に従って、発散またはコリメートされた光、インコヒーレントまたはコヒーレントな光、または部分的にコヒーレントな光、単色光、多色光または白色光、すなわち特定のスペクトル分布を有する光であってもよい光１６ａ、１６ｂを放射するように構成されており、これを光チャネル６に導くように構成されている。ここでの光１６は、最初に第１の光学自由曲面８に入射し、その後、第２の光学自由曲面１０に入射する。第２の屈折光学自由曲面１０は、対応して屈折光学自由曲面８の後方に配置されてもよく、ここで、「前に」および「後ろに」の空間関係は、それぞれの素子上の光１６の伝播または入射の方向を指す。

屈折光学自由形状面は、実施形態に従って、実物体光パターン１３ａ,１３ｂおよび虚像物体光パターン１３ａ'，１３ｂ'，１３ａ''，１３ｂ''の両方を生成することができる。投影光学系は、投影光学系の対物面を選択された物体光パターンに配置することによって、ターゲットとされた物体光パターンをターゲット上に結像させる。虚像物体光パターンの場合、投影光学系１２は、投影光学系が屈折光学自由曲面の実光パターンに対応して物体面内の虚像光パターンを結像するように、屈折光学自由曲面によって形成される実際の光パターンを示すが、光源４と第２の屈折光学自由曲面１０との間には投影光学系１２の対物面／対物表面が配置されている。

投影光学系によって結像される光パターンは、物体光パターンとみなされる。換言すれば、物体光パターンは、投影光学系を用いて結像する際の対象物であり、従来のアレイプロジェクタとは対照的に、スライドは使用されず、光分布が使用される。

光の（現在の）空間分布も、光のパターン又は光の分布とみなすことができる。結像用に提供される場合には、同様に物体光パターンとなる。鋭いエッジ、高いコントラスト、急峻なエッジ、大きな輝度変調のような、特に大量の空間的な高周波情報を含む可能性があるこのような光パターンは、特に重要な物体光パターンとみなすことができる。このような光パターンは、結果的に、小さなぼやけやスミアリング効果を示す。一方では、光が実際の物体から発せられたときに形成されることがある。ビームは、すべての物体点から出射する。その結果、放射位置と角度との間に相関関係が生じる。例えば、吸収性スライドを介して放射する場合、その結果は、放射角度に大きく依存しない空間的な光分布、すなわち、すべての放射角度に対して準平等な空間的分布が存在し、その重畳により、例えばイメージングにより、シャープなパターンをもたらすことができる。放射位置と放射角度との間の特別な依存性を有する同様の光パターンは、光再分配および光ビーム制御によって、スライドのような実物に関係なく生成することができ、空間的に高周波数の照明パターンを可能にする。ここでは、空間的に高周波の照明パターンを高効率で生成することができるので、ボケの影響が最も少ないこれらの物体光パターンは特に重要である。

図２はさらに、画像１４ａ,１４ｂが重ね合わされて全体の配光または全体的な結像または全体的な画像を形成し得る実際の投影面または領域１８を追加的に示す。しかしながら、代替的な実施形態によれば、投影光学系は、実際の全体像が無限にしか形成されないように、またはさらなる光学系を使用して、仮想的なターゲット上に画像１４ａ,１４ｂを結像させてもよい。

本願発明の投影装置２は、後に自由曲面アレイプロジェクタまたはビーム整形器／投影ユニットと頻繁に呼ばれるようになるが、これは、同時に高い光束および高いシステム透過率／パワー効率を有する非常に平坦な光学系を可能にする新規な光学概念を表しており、ここでは、高い解像度が要求される任意の光分布が実または虚像のターゲット上に生成され、同時に、ケーラー照明原理および光源光の均質化が適用されることが可能である。図２の例示的な実現は、光源４または光源ユニット（光源および潜在的な一次光学系を含む）を模式的に示しており、そこから光１６が放出され、各アレイチャネル内の２つの照明自由曲面をそれぞれ有するアレイに入射する。ここで考えられる実現において、入力側第１自由曲面は、光学基板／素子の端部側に位置し、入力側第２自由曲面は、第２の、後続の光学基板／素子の入力側に位置する。好ましくは、透明な屈折材料が用いられる。チャネルあたりの２つの自由曲面の表面パターンは、一方では、光の屈折によって光学系内に実物または虚像の光物体分布が生成され、他方では、光がケーラー照明に対応するそれぞれの投影レンズ／光学系に入射するように実装されている。

換言すれば、第１及び第２の光学屈折自由曲面８，１０は、実光源パターン１３ａに基づいて、光源４と第２の屈折光学自由曲面１０との間の光チャネル６ａ～６ｉにおける仮想物体光パターン１３ａ'を生成するように実装されてもよく、虚像物体光パターンは、投影されるべき画像の結像であり、実光パターンは前記第１及び第２の屈折光学自由曲面を介して照射された後に形成される。

図２のインセット８ｉ，１０ｈは、例示的に、２つの表面プロファイルを示す。文字「ＩＯＦ」に関連付けられた表面変形を認識することは容易である。これらの表面変形は、純粋に屈折光再分配によって、限定された解像度の光学的内部光パターンを生成する。これらの光パターンは、後続の投影レンズアレイ１２によって光学的に結像されてターゲット１８に伝達される。暗い背景フィールド上の文字「ＩＯＦ」の明るいシーケンスは、ターゲット上に結果をもたらす。上述のぼかし効果の最小化にもかかわらず、ターゲット上の文字は、潜在的に鋭い構造的エッジを構成しないかもしれない。ターゲット上にはるかに細かい光パターンを生成するために、追加的に透過変調された構造物２０が使用される。示された実施形態では、第２の光学基板／素子上に波線を有する開口構造が使用される。排他的な自由曲面の光再分配を用いてそのような微細なターゲット分布を生成することは、これまでのところ、ぼやけ効果が残っているために不可能であった。しかしながら、パワー損失が最小化されるように、開口構造は、自由形状光再分配手段によって適切な方法で照明され得る。実施形態では、チャネルあたりの２つの照明自由曲面は、開口部の透過領域の領域において、大きな照明強度を生成する。フェージングおよび光再分配の両方によって開口部の背後に形成された実光パターンは、チャネルのそれぞれの投影レンズによって、ある特定の、または十分な結像シャープネスでターゲット１８上に結像される。実施例では、文字列「ＩＯＦ」に対する最もシャープな物体光パターンの位置は、スライド面とは同一ではないが、この実施例では、文字列「ＩＯＦ」に対する最もシャープな物体光パターンの位置は、スライド面と同一ではない。このため、投影光学系の対物面は、潜在的に最もシャープな「ＩＯＦ」物体光パターンとスライド平面との間に配置されている。文字列のぼかしの増加は、ここで受け入れられる。また、スライドの画像にも、デフォーカスがある。示された自由曲面アレイプロジェクタ２の実施形態では、すべてのチャネルは、準平等な個々の光分布を有する同じターゲット領域を照明し、すなわち、これは、ソース光の均質化の最大の程度を可能にする。チャネルの重ね合わせは、例えば、入力側の第１の２つの自由曲面内の屈折光偏向効果によって達成されてもよい。物体生成構造および投影レンズの従来のオフセット、および曲面上のチャネル配置（以下を参照）も、ここでは適用されてもよい。チャネルごとのケーラー照明原理を適用することは、わかりやすい理由から、図２では図示されていないが、以下の図で図示される。

図３は、３つの屈折面および開口構造２０ａの効果に分解された単一チャネル６ａ（ここではチャネル傾斜なし）の機能モードを示す。コリメートされた光源から発せられる光１６ａは、第１の屈折自由曲面８ａに入射する。ここで、この自由曲面は、光学素子２２の出射側（光学基板の出射側のようなもの）に位置する。この自由曲面は、光再分配による空間的強度パターンまたは照明パターンを生成し、すなわち、光は、結果が目標分布に対応する強度変調された光分布となるように、適切に屈折的にリダイレクトされる。理想的な場合（フレネル損失を無視した場合）には、これは１００％の効率で行われる。図３ａにおいて、この光分布１４ａ´は、直線コリメートされた入射光および傾斜コリメートされた入射光の両方について、第１の自由曲面のすぐ後ろで検出された（上部のグレースケール画像を参照）。検出器位置２４は、第１の自由曲面のすぐ後ろに太線で図示されている。光の分布は、もともと光軸に理想的にコリメートされていた入射光が、今では自由曲面の後ろで一定のビーム角スペクトルを示すように、対応するビーム方向の変化によって行われる（図３ａの左を参照）。光の再分布とは別に、光軸に対して傾斜した入射光が、同じ光チャネルの第２の自由曲面に排他的に入射し、自由曲面領域にクロストークが生じないようにするために、第１の自由曲面は、さらに、常に一般的な光の収束を生じなければならない。しかしながら、強度変調された光分布または透過率変調された光分布が、チャネルに設けられた投影レンズに完全に当たることは、単一の自由曲面によって保証されない。これは、図３ａの右図に示されている。しかし、光軸に対して強く傾斜したコリメートされた入射光は、最終的には、投影レンズ１２ａに提供された空間領域の外側に部分的に位置することになる。投射レンズレットの領域内のクロストークは、結果的に、強く制限された入射角スペクトルでのみ回避可能であろう。

定義された方法で投影レンズ／投影光学系に光をもたらすためには、第２の自由曲面が必要である。実施形態では、この自由曲面は第２の光学素子２６の入力側（幅広光学基板の入射面のような、図３ｂ参照）に配置される。ここでの好ましい変形例は、光源１６ａがケーラー照明原理（図３ｂ，ｃ参照）に対応して収差のある方法で投影光学系１２ａの入力瞳に結像することである。第２の自由曲面は、強度パターン化された光分布のビーム方向を適切な方法で転換しなければならない。

２つの自由曲面（図３の実施形態では１つの投影レンズのみ）の後に続く投影光学系１２ａの効果は、２つの異なる方法で解釈することができる。最初の２つの自由曲面は、追加的に放射角度に影響を与えながら、強度構造化された光分布を生成する。２つの自由曲面の共通の効果は、発散的な光入射にもかかわらず、最小限にぼやけた物体光のパターンを形成する。この場合、これは、第２の自由曲面に近い虚像物体パターンである。最良の物体パターンのより詳細な説明は、図４、図５に見ることができる。投影レンズは、この虚像物体パターンをターゲット上に結像させる。第２の説明の方法は、図３ｂ、ｃに図示されており、チャネルの光軸（または光軸の定義が困難な場合には中心軸）に沿ったコリメートされた入力光の場合、ターゲット上の所望の光パターン１４ａ´´は、２つの入力自由曲面によって生成される。ここでは、投影レンズ１２ａは不要である（図３ｂの左右参照）。また、投影レンズなしの傾斜コリメート光の場合、収差はあるが主にシフトした目標像１４´´´が生成される（図４ｃの右参照）。一方では、投影レンズは、目標像のシフトを防止し（図４ｂ参照）、すなわち、パターン化された照明分布をスミア化するための主効果を減少させ、他方では、収差を減少させる。さらに、照明分布におけるぼやけ効果の完全な回避を妨げる収差がさらに存在してもよい。図３ｄ、ｅは、入射光の角度発散の増加に伴う目標光分布のスミアリングの増加を例示する。ここでの投影光学系は、約±７°の数値開口のために設計されている。入射ビームの角発散角が±４．５°（図３ｄ参照）では、投影レンズはまだ完全に光で満たされていない、すなわち、エテンデューは依然光学系によってかなり増加している。配光パターンのぼやけはほとんどない（図３ｂ、３ｄの右図参照）。投影光学系がない場合、ターゲット上では膨大な配光パターンのぼやけが発生し（図３ｄの左図参照）、このような場合、純粋な屈折効果によるより微細な構造分解能は不可能である。このような場合、純粋な屈折効果による微細な構造分解能は得られない。入力角の発散角を約±６°にすると、最大角度の限界である±７°（エテンデュー保存）に近くなり、収差による顕著なぼやけ効果が見られる（図３ｅ）。それにもかかわらず、これらのパターンスミアリング効果は、従来の単一または２つの領域の自由曲面ビーム整形の場合よりも桁違いに小さい[Zwick, Feng, Ries, Oliker]。このように、２つの屈折自由曲面素子と投影レンズとの協力により、ぼやけ効果が大幅に減少する。残された構造的なぼけの主な原因について、図４、５を参照しながら、以下でさらに詳細な議論を行う。

シャープな照明パターンを生成するために、追加的に透過変調された構造物２０ａ（吸収性／反射性開口部、グレースケールフィルタ等のようなもの）を使用してもよい（図３ｆを参照）。図３ｆでは、投影光学系は、投影結像のための理想的な物体平面が第１の２つの自由曲面の間に位置するように調整されている。したがって、図３ｆの左の開口構造２０ａは、投影光学系／投影レンズの理想的な物体平面の外側にあり、その結果、デフォーカスの結果として、開口構造のあいまいな結像が生じる。対照的に、第１の２つの自由曲面レンズの間の開口構造は、ターゲット面上に幾分シャープに結像される。より多くの開口構造は、スプリアス光および迷光の最小化のために役立つかもしれない（以下の図９、１４～１８を参照されたい）。屈折自由曲面ビーム整形と透過変調された構造の協力により、ターゲット上のシャープな光パターンが、同時に高効率で達成され得る。自由曲面ビーム整形は、透過変調された構造物の適合した照明を生成することができるので、後者はわずかな光だけをフェードアウトしなければならない。

最も簡単な場合、投影光学系１２は、十分な結像品質で（自由曲面のビーム整形または開口構造によって生成された）物体光分布をターゲットに伝達する球面、円錐または非球面の単一投影レンズを含む。例えば、大きな開口数が必要とされるあるいは色誤差の結果として、結像品質が十分でない場合、多面投影対物レンズが適用されてもよい。複雑なやり方で分配される「物体光パターン」および重要なターゲット形状、さらには結像投影光学系のさらなる自由曲面が有利である（図５ｅ参照）。

図４は、例示的に、単一チャネル６ａの自由曲面ビーム整形における有効な虚像物体パターン面の位置を示す。相対的に強く発散する光１６ａ（図４下部の矢印を参照、エテンデュー保存の結果として考慮されたアレイプロジェクタの最大角度スペクトルにほぼ対応）は、光学素子に入射し、入力側の第１の２つの自由曲面８ａ，１０ａ（図４の自由曲面を参照、ビームシェイパー／プロジェクタユニットの残りの要素は図示されていない）によって再分配される。破線で囲まれた平面１５ａの入力側第２自由曲面の真後ろの実光分布１３ａを考えると、認識できるのは、極めてぼやけた、識別しにくい光パターンである（破線で囲まれた最上段の平面１５ａのグレースケール画像１３ａを参照）。光のぼけは、強いビーム角の発散を表現している。この実際の光パターンから出発して、すべての光ビームは、そのビーム方向に対応する後方向に延在している、すなわち、仮想光パターン１３ａ´，１３ａ´の特徴を以下に検討する。そして、結像のために選択された（投影光学系の設定または形状を用いた）光パターンが、物体光パターン１３ａ´，１３ａ´となる。観察できるのは、入力光の発散が強いにもかかわらず、本実施例では、入力側第１自由曲面の方向に物体位置を有する仮想物体光パターンが弱くぼやけていることである。

この仮想的に最小限にぼけた物体パターン平面をターゲットに結像させることにより、排他的な光再分配と従来の結像変換（対物面から像平面への結像）を用いて可能な最も鮮明な光パターンが得られる。最良の物体パターン平面の位置は、特定の設計によって制御することができる。

図5は、無限遠（遠方）のターゲットを持つシステムを用いた自由曲面アレイプロジェクタの本質的な特性を示している。特徴量の粗い近似値を簡略化したモデルで示し、従来のアレイプロジェクタ[DE 102009024894 A1, DE 102011076083 A1, Sieler]との違いを示す。自由形アレイプロジェクタ２に関しては、専ら屈折光再分配プロセス（透過変調構造を利用しない）が考慮される。さらに、考察は、中程度の光再分配過程にも対応する、同軸近似に限定されるであろう。自由曲面アレイプロジェクタのこの応用分野は、もちろん、これらの近似を超えたところにも見出すことができる。

ここで提示する自由曲面アレイプロジェクタ２では、各アレイチャネル６ａ内の集光レンズレットは、２つのそれぞれの自由曲面構造（図５ｂ、ｃ、ｄ参照）に置き換えられている。図５において、これらの自由曲面は、２つの基板の出力側と入力側に配置されている。ケーラー照明原理に従って、両方の自由曲面は、投射光学系の光軸に沿って理想的にコリメートされた入射光を有する収束した光束を生成する（図５ｂ参照）。ここでは、ターゲット（または開口面）上での照射強度分布は、収束した全体的な光束内でのパワー再分布によってさらに可能になる（図５ｃ、ｄを参照）。光の再分布は、同時にビーム角を考慮しながら、対応する自由曲面の設計方法を修正することによって許可することができる[Michaelis, Feng, Rubinstein]。数学的により複雑な設計方法とは別に、単純化されたモデルを考慮することは、一方では自由曲面アレイプロジェクタの機能モードの理解を高め、他方では特性量を推定するのに役立つかもしれない。

また、説明した光学系では、第２の自由曲面の照明光を、例えば、コリメート光の入射を傾斜させた状態でシフトさせることにより、更なるぼかし効果が発生してもよい。

以下に、従来のアレイプロジェクタと自由曲面アレイプロジェクタについて粗推定式を比較する。

従来のアレイプロジェクタでは、所定の物体位置が固定された物体構造物（スライドのようなもの）が投影レンズによってターゲットに結像される。しかし、光の再分配パターンについては、異なる照明強度は、異なる長手方向の位置または物体位置に由来するようである（（Ｉ）参照）。このことは、従来の結像（対物面（シェル）から像面（シェル）への対物面（シェル）の結像）では、最適な平均的な物体幅を適用しなければならないことを意味する（（II）参照）。その結果、従来の自由曲面光再分配［Ries, Oliker, Michaelis, Rubinstein, Feng, Wu, Luo, Zhao］と比較すると、パターンぼけ効果の低減は得られるが、除去は得られない（（Ｖ）参照）。

パターンぼかし効果のさらなる低減は、投影光学系の結像特性を適応させることによって達成され得る。有効物体光パターンは、長手方向（図５ｅ参照）の非自明な延長を構成し、すなわち自由曲面３８上に位置しているので、ターゲット上でシャープな結像を達成するためには、１つまたは複数の自由曲面１２ａ´，１２ａ´を有する投射光学系１２ａが必要である。換言すれば、投影光学系１２ａは、投影画像における結像誤差（ぼけ効果のような）または複数の結像誤差を補正するように構成された少なくとも１つのさらなる屈折光学自由曲面１２ａ´，１２ａ´を構成してもよい。結像誤差は、例えば、物体光パターンが平面内ではなく、自由曲面３８上に位置しているという事実によって引き起こされてもよく、したがって、投影光学系の対物面（更なる自由曲面を有さない）によって、平均して、せいぜい自由曲面３８に対して、または物体光パターンに近い位置に配置されてもよい。

新しい照明概念の重要な構成素子は、照射強度分布（または照明強度分布）とビーム方向の両方が制御される２つの結合された屈折自由曲面のアレイである。文献では、典型的な解法アプローチは、例えば変動問題を使用して適切な光線マッピングを決定し、その後、前記マッピングを使用して自由曲面の表面を計算することである［Ｒｕｂｉｎｓｔｅｉｎ，Ｆｅｎｇ］。

自由曲面の直交楕円表現に基づいており、Olikerによる十分に知られている解法「支持放物線」の考え方を適用した、代替的で比較的簡単な方法を以下に紹介する。この方法では、単一の自由曲面は、共通の焦点が光源構造に位置する直交楕円セグメントの離散的なセットによって表現される。他の直交楕円形の焦点は、照明ターゲット（投影面）に分布しており、すなわち、ターゲット分布を離散化するために使用される。これが、すべての表面または領域セグメントの焦点パラメータが確立される理由である。各セグメントは、自由パラメータ、すなわち、光源点と素子との間の距離または素子の厚さの尺度である光路長のパラメータを依然含んでいる。これらのパラメータが変化すると、ターゲット位置でのパワー分布が変化する。光路長パラメータが決定されるという事実のために、単一の自由曲面を用いて特定のターゲット分布を実現することができる。これらの光パス長パラメータは、Ｏｌｉｋｅｒ[Oliker]によって提案されたアルゴリズムを用いて決定することができる。

ビーム方向をさらに制御するためには、第２の自由曲面が必要である。レーザビームシェーピングは、このような自由曲面の光再分布の最もよく知られた例の一つと考えることができる[Shealy]。この場合、ある入力強度分布を有する理想的な方法でコリメートされたレーザビームは、２つの自由曲面を使用しながら、所望のターゲット強度を有するコリメートされた出力ビームに転送され得る。光の再分布は、以下のように説明することができる。第１の自由曲面は、第２の自由曲面に正確に所望の出力強度パターンを生成する。もちろん、光再分布のためにはビーム方向の変化が必要であるので、入射ビームはそこでコリメートすることができない。したがって、第２の自由曲面は、適切な方法で屈折によってビームの方向を変化させる。これらの説明は、次に、直交楕円表現の方法と組み合わせて説明する。第２の自由曲面で所望の強度分布を生成するためには、第１の自由曲面を楕円体／円錐で分解しなければならず、ここでは関連する焦点が第２の自由曲面に正確に位置している。各入力セグメントによって収集されたパワーをコリメートするために、第２の楕円体／円錐体セグメントが第２の自由曲面で使用される。関連する焦点は、対応する第１の自由曲面に正確に配置されなければならない。このようにして、入口表面および出口表面の両方が、楕円体／円錐体６１、６３ａの離散的なセットで分解され、ここで、個々の入力セグメントは、特定の出力セグメントに関連付けられ、それぞれの焦点は、それらのそれぞれの関連付けられた対応部分に配置される（図６ａを参照）。二重自由曲面素子の特定の形状は、各セグメント対の波長パラメータに依存する。これらのパラメータは、反復的に決定される。第２の自由曲面の形状についての第１の仮定が開始される。その後、単一自由曲面の場合と同様に、入力セグメント６１のパス長パラメータが得られる。これで、各セグメント対の全体的なパス長は、互いに異なるものとなる。この情報は、出力セグメント６３ａのパス長パラメータを変更するために使用することができる。その結果、第２の出力自由曲面の新しい形状が得られる。この手順は、収束があるまで繰り返される。離散化基本素子のタイプを変更することにより、角度分布の異なる状況を実現することができる。入力面における楕円体表現が維持され、出力面上の楕円体が従来の直交楕円６３ｂに置き換えられる場合、結果は、収束したビーム束を有する放射強度分布（または照度分布）となる（図６ｂ参照）。ビーム方向の非自明な分布は、一般化された楕円６３ｃを用いて得ることができる（図６ｃ参照）。滑らかな自由曲面は、離散化素子の十分多数を用いて生成される。

換言すれば、第１の屈折光学自由曲面８は、空間的な光の再分配および／または光源によって放出される光ビームのビーム角の制御を実行するように実装され得る。代替的または追加的に、第２の屈折光学自由曲面は、第１および第２の屈折光学自由曲面が互いに影響し合うケーラー照明に従って収束的に投影光学系１２に光ビームを導くように構成されていてもよい。

図７は、図２に従った自由曲面アレイプロジェクタ２の概略的な部分を示しているが、透過変調された構造（吸収性開口部などのような）を持たない。このような光学系はまた、集光器アレイ表面が２つの自由形状アレイ表面に置き換えられたハニカム集光器［ＷＡＫＯ］の一般化であると考えることができる。ターゲット光パターンの生成は、チャネル内のパターン化された、通常は虚像分布を生成するための屈折自由曲面光再分配と、投影レンズによるターゲット上へのそのイメージングとによって排他的に行われる。このような配置の利点は、理想的なケースでは、完全に反射する表面に対して１００％の透過率を得ることができることである。さらに、この光学系はエテンデュー保存に近い動作をする。しかし、高解像度の投影光学系を使用する場合でも、屈折的に生成された光の分布が収差からなるため、ターゲット上に非常にシャープな光の分布を生成することはできない。この収差に起因するぼやけは、通常、入力角の発散が大きくなるにつれて、すなわち、潜在的にほぼ可能なエテンデュー保存を近似する場合に増加する（図３ｄ，ｅ参照）。さらに、そのような配置では、迷光は、個々のチャネル間の遷移でも形成されることがある（例えば、製造に起因する形状の偏差によって引き起こされる）。このような自由曲面アレイプロジェクタまたは自由曲面ハニカム凝縮器は、このようにして、かなり滑らかなターゲット画像を有するアプリケーションや、ある種の迷光許容範囲の場合に使用される。

図８は、図５の自由曲面アレイプロジェクタの混合・均質化効果（光源光の均質化／色の混合等）を模式的に示す図である。光源光１６は、１つまたは複数の、均質または構造化された、単色、多色または白色放射の光源に由来していてもよい。非常に頻繁に、光源は、空間的に強くパターン化されているが、角度空間ではむしろ連続的な光分布を示す。このため、照明のためのケーラー原理が好ましく採用され、ここでは、光源の角度分布が空間的なターゲット位置に伝達される。図８の太い連続した矢印４０は、この機能モードを例示的に示している。同様に、ケーラー照明の原理は、図３で簡単に見ることができる。アレイの特性により、考慮された合計のソース角の発散は、さらに、ターゲット表面に重畳された複数のサブ間隔に分割される（図８の破線矢印４２を参照）。これにより、さらなる光の混合を達成することができる。自由曲面アレイプロジェクタの場合、この配置はさらに意味を持つ。十分に良好な屈折光再分布を生成するためには、入力光分布は周知でなければならない。小さな角度間隔では、この分布は準均質であると考えることができる。

非常に高い空間周波数を有するターゲットパターンと、高い光学系透過率を有するターゲットパターンの両方を得るために、屈折自由曲面ビーム整形と、吸収性／反射性光フェージングを組み合わせることができる。図９は、このような光学素子の機能モードを示す図である。ここでの屈折自由曲面ビーム整形は、光の大部分を開口構造を介して伝搬させ、さらに光を投影レンズ上に伝達するために使用される（例えば、ケーラー照明原理に従った）。両方の照明自由曲面は、このようにして、開口部に適合した実際の空間光パターンを生成し、同時に、ケーラー照明原理を確保するためのビーム角を制御する。図９の左インセット２７の太い矢印１６は、光ビームが好ましくは開口構造体を通って案内されることを示している。開口構造体は、投影光学系の理想的な物体平面／物体空間内に位置しており、その結果、ターゲット上にシャープに結像され、すなわち、図７とは対照的に、非常にシャープな構造的エッジを有する文字列が形成されることになる。すなわち、透過変調構造体２０は、透過変調構造体２０の光透過領域２９ａにおける照射強度の増加に基づいて、物体光パターンを形成することができる。このように、透過変調構造体と自由曲面の光再分配との協働により、物体光パターンを形成することができる。また、投影光学系１２は、投影光学系の像面に物体光パターンの照明光を得るために、透過変調構造体から物体光パターンを結像することができる。

図１０は、図２と比較すると、純粋に屈折効果によって逆光パターンが生成され得ることを示している。ここでは、屈折自由曲面ビーム整形およびその後の投影によって、明るい背景上に暗い文字のシーケンスが生成された。インセット８ｉ及び８ｉ´、並びに１０ｈ及び１０ｈ´におけるインデント及び膨らみは、ここで交換される。

スプリアスエッジ、デッドゾーン等のような、個々のアレイチャネル間の製造上の非理想的な遷移領域は、迷光および散乱光をもたらす可能性がある。さらに、不十分な光コリメーションもまた、アレイ光学系の受容角領域外の迷光および散乱光に関連して、個々の光学系チャネル間のクロストークを生じさせ、その結果、ターゲット照明に近いゴースト画像を生じさせる可能性がある。このようなスプリアス効果を最小化するために、さらなる吸収性／反射性構造を導入することができる。これらは、個々のチャネル間の開口層および絶縁性開口壁の両方であってもよい。図１１は、例示的に、特に単純な開口部の配置を示す。第１の自由曲面アレイの前の開口部４４は、個々のチャネル間の非理想的な遷移領域をカバーするために使用されてもよい。特に、そのような開口部は、理想光学面の非連続的または非連続的に微分可能な遷移に対して非常に有用である。同様のことが、２つの自由曲面アレイの間に、または第２の自由曲面アレイのすぐ後ろにある開口４６，４８にも適用される。しかしながら、そのような開口は、投影結像光学系の物体面が開口に近い場合には、二重の機能を発揮することもある。この場合、迷光の最小化とシャープなターゲットパターンの細部の両方が、同じ開口構造によって効果を発揮することができる。対照的に投影アレイと第２の自由曲面アレイとの間の開口部は、むしろチャネルのクロストークを最小化するために機能してもよい。換言すれば、投射装置は、迷光および／または散乱光を抑制する少なくとも１つの透過変調構造体４４、４６、４８をさらに含んでもよい。

全てのチャンネルの全ての光分布を互いに重ね合わせると、所望の目標光分布が得られる。任意に、すべてのチャネルは、同じターゲット光分布を生成してもよく（図２、８～１１および図１２の左を参照）、したがって、最大程度の均質化を可能にする。しかし、異なるチャネルタイプはまた、異なるターゲット照明５０ａ，５０ｂ（図１２、右参照）を生じさせてもよく、すべての光分布をターゲット上に重ね合わせるだけで、最終的な分布の所望の形状を生成することができる。これは、ターゲットを完全に照らすために非常に高い発光角が必要な場合に特に実用的である。数値的に小さい開口部を有する異なるチャネルタイプは、ターゲットの異なる領域をカバーする可能性がある。異なる光学領域は、トポロジカルに異なる透過変調構造体および照明自由曲面を構成するであろう。強く異なる結像方向または仮想物体光パターンの質的に異なる位置を考慮するために、例えば、投影ユニットの領域依存的に質的に異なる結像光学系が生じてもよい。巧みなチャネル重ね合わせによって、個々のチャネル、特に照明自由曲面に対する要求が緩和されてもよい。

以下、図１４から図１８を参照して説明する。図１４は、プリズム状の屈折光学自由曲面８，１０と、第２の屈折光学自由曲面１０と投影光学系２０との間の平面に配置された透過変調構造体２０とを有する投影装置２を示している。図１５は、開口構造２０が、第１の屈折光学自由曲面８と第２の屈折光学自由曲面１０との間の平面内に配置されている図１４の投影装置を示す。図１６は、投影装置２を示しており、ここでは、光学構造、ここでは第１および第２の屈折光学自由曲面８、１０、開口構造２０、および光チャネルのアレイ内の投影光学系１２が傾斜面上に配置されており、ここでは、投影装置の傾斜面は段差を構成している。図１７は、図１６の投影装置２を示し、ここで、投影光学系の傾斜面は連続した構造を構成し、段差がない。図１８は、光源４も傾斜面上に配置されている図１７の投影装置を示している。

図１２では、明るくない長方形の背景上の光三角形がターゲット上に生成されている。二つの入力側の自由曲面は、少なくともおおよそ、歪んだ矩形のエッジ形状（矩形の入力分布から矩形の出力分布へのマッピング）を構成している。しかし、もし、背景照明のない三角形の分布が、矩形のレンズレットの配置を持つ純粋な自由曲面ビーム整形によってターゲット上に求められた場合、対応する自由曲面のエッジは、ソースとターゲットの分布のトポロジーを反映することになる。この場合、これは、歪んだ準矩形の入力自由曲面からの光が歪んだ三角形の自由曲面に伝達されることを意味する（図１４参照）。しかしながら、トポロジー的に異なる入力分布と出力分布の形態とは別に、パワー分布に強い非対称性が生じることになる。入力光では、アレイチャネルごとの均質な分布が想定され得るのに対し、各アレイチャネル内の光は、出力分布の三角形の形態のために、強く非対称に分布しなければならない。これは、自由曲面８；１０のマーク付きブレイズ特性（プリズム形状）によって行われ、入力側の第１の自由曲面は、三角形の基部の方向に多くの光をもたらさなければならないのに対し、入力側の第２の自由曲面は、ビーム角度補正のためにビームの部分的なタイルバックを引き起こす。しかしながら、自由曲面のこのブレイズ特性は、異なるチャネル間の遷移で光学面に強い不連続性をもたらす。これらのブレイズバックエッジは、一方では、迷光をもたらし、他方では、構造物を製造する際に困難をもたらす。迷光の最小化は、開口構造２０（図１４を参照）を導入することによって再び可能になるかもしれない。ここで、迷光解析は、ほとんどの異なる開口位置および形状について実行されなければならない（図１４、１５参照）。

一般的に、パワー再分配の非対称性は、些細な平面アレイのチャネル配置が維持されている場合には、潜在的に強い構造的不連続性をもたらす（図２から図１５を参照）。不連続性の顕著な最小化と、一部では、不連続性の除去さえも、適合したチャネル配置によって達成することができる。このような修正を実施する簡単な方法は、傾斜した平面上のチャネル配置である（図１６、１７参照）。非常に頻繁に、有効焦点距離（図５を参照）（マイクロ光学）および自由曲面アレイプロジェクタの横方向の延長は、光学ターゲット距離よりも数倍小さい。この場合、ターゲットパターンは、チャネル－ターゲット距離の小さな変動が重要な役割を果たしていない遠方視野分布であると理解することができる。パワー分布の非対称性は、すべてのチャネル遷移において同様の不連続性関係をもたらす。類似の平均不連続性の高さの差（ここでは２次元）によるチャネルの縦方向のシフトによって、結果として、強く減少した不連続性を持つ傾斜面上のアレイをもたらす（図１６、１７参照）。アナログ戦略は、同様に、有限ではあるが、あまりにも小さくない光学ターゲット距離に対しても近似的に適用されてもよい。例えば、コリメートされた、傾斜した光源ユニット４（一次光学系を有する光源、図１８参照）による、または図１３に対応する追加の変換光学系による、適合された入力分布を提供することは、ここでは有利であるかもしれない。換言すれば、少なくとも１つの光学構造は、投影光学系の像面内に非対称な光分布を生成するように構成されてもよく、ここで、光学構造は、隣接する光チャネル６の相互に隣接する光学構造間の不連続性を低減するために傾斜面上に配置され、投影光学系１２は、非対称な光分布に基づいて像を投影するように構成されてもよい。光学構造は、第１の屈折光学自由曲面またはさらなる屈折光学自由曲面、透過変調構造、または光源でさえあってもよい。

有限の光学ターゲット距離または個々のチャネルの非自明な主ビーム傾斜分布（図１２の類推において光学系を重ね合わせるため）では、不連続なチャネル遷移を最小化するために、チャネルからチャネルへと変化する長手方向のチャネルシフトが必要となる。その結果、個々のチャネルは、湾曲したエンベロープ面６５ａ、６５ｂ、６５ｃ上に配置されることになる（図１９参照）。これは、アレイエンベロープ、すなわち光学粗面構造が、屈折によってチャネルの主光線をチェックすることを意味する（例えば、図１９の矢印を参照）。対照的に個々のチャネルの照射強度分布は、チャネル微細構造および透過変調ユニットによって生成される。このように、曲面上のチャネルの配置によって、図１３に対応する追加の光学系の機能は、一方では、自由曲面アレイプロジェクタ自体によって実行され、他方では、チャネル間の不連続性／デッドゾーンが同時に最小化されることがある。チャネルのエッジが隣接するチャネルの断面曲線によって決定される場合、不連続性／デッドゾーンは完全に回避できる。光学形態は、個々のチャネル構造の極値（［Michaelis］に類似して）を形成することによって生成される。換言すれば、相互に隣接する光学チャネルの第１および／または第２の屈折光学自由曲面および／または投影光学系は、共通の湾曲したエンベロープ６５ａ、６５ｂ、６５ｃ上に配置されてもよく、ここで、相互に隣接する光学チャネルの主放射角６７ａ、６７ｂ、６７ｃは、画像を重ね合わせる際に、アレイチャネル間の投影アーチファクトおよび／または光学的に不活性な領域および／または不連続性を完全に回避するように、または少なくともかなり低減するように適合されている。さらに、エンベロープは、さらなる（屈折）光学系として機能してもよいし、同様の効果を有する光学自由曲面５２、５４の機能を果たしてもよい（図１３参照）。このように、光学的に活性な自由曲面がなくても、ターゲット分布は、大部分が光再分配によって、そして限定された範囲でのみ、損失光フェージングによって達成され得る。不感帯は、例えば、光学的に不活性なゾーンであってもよく、これは、特に、隣接する光学チャネル間の遷移領域または光学チャネルの端部領域で発生してもよい。このように、投影アーチファクトを低減するために、チャネル間で多くの光をフェードアウトする不感帯または光学的に不活性なゾーンは発生しない。投影装置の光透過率は最大化される。

ほとんどの異なるタイプのタイリングまたはモザイクが、チャネルの配置に適用されてもよい。図１から図１８では、単純化の理由から、長方形の配置スキームが適用された。図２０は、例示的に、光チャネルのアレイにおける光チャネルの６つの例示的な配置スキームを示しており、ここでは、例示的に、６つの異なるタイプのタイリングが示されている。タイリングの種類には、異なる選択基準がある。完全なタイリング（すなわち、小さな不感帯、小さな未使用領域、小さなフェージング）が達成されることであり、ここで、光学効果は、可能な限り単純であるように実施される。後者は、好ましくは、自由曲面の再分配プロセスがほとんど行われないことを意味する。一方では、これは、より容易な光学的表面をもたらす。他方では、エテンデュー保存（図５参照）に従って、ビーム角スペクトルの影響が小さくなる。光学的に活性な領域を有する入力側自由曲面アレイの完全なタイリングは、効率性の理由から望ましい。入力側第２自由曲面（チャネル毎）のエッジ形状は、効率を最大化する場合には、チャネルの提供されるターゲット照明ジオメトリによって粗く決定される。光再分布を可能な限り容易に実施するためには、入力側の第１自由曲面と第２自由曲面のエッジ／サイズの類似性が有利であろう。タイリングの好適なタイプは、これから決定されてもよい。保護レンズ／光学系のための適切なタイリングの方法も同様に考慮されるべきである。一方では、入力瞳の照明は、光源の形状（ケーラー照明）によって決定される。他方では、製造面も考慮しなければならない。高品質の結像マイクロレンズを生成するためには、例えば、リフロー法やＵＶ整形が実用的な場合がある。この場合、通常は丸いレンズエッジのみが存在することになり、これにより、例えば六角形のタイリングが実用的になるように思われる。すなわち、光路は、六角形、長方形、帯状の歪んだ規則的、不規則的、または確率的なタイリングで構成されていてもよい。

一方、コヒーレンスの高い光源では、周期的な配置ではグリッド効果が乱れる可能性がある。このような場合には、確率的な配置がむしろ実用的であろう。

自由曲面アレイプロジェクタでは、色収差が発生することがある。異なる光学材料が使用されている場合、色収差の古典的な補正が可能であるが、より複雑な光学系が必要になる。ここでの解決策は、個々のチャンネルが限られた波長スペクトルでしか機能せず、波長に直接補正されることである。これは、異なる色源６０によってのみ異なるチャネル群を照明することによって達成され得る。別の方法は、カラーフィルタを光学チャネルに統合することである（図２１参照）。すなわち、光チャネルアレイの２つのチャネルまたは２つのチャネル群は、異なる波長領域を処理するように構成されていてもよく、第１のチャネルまたは第１のチャネル群が第１の波長範囲における結像誤差を低減し、第２のチャネルが第２のチャネル群を用いて第２の波長範囲における結像誤差を低減するように構成されていてもよい。第１の波長領域の光を第１のチャネルまたは第１のチャネル群に導き、第２の波長領域の光を第２のチャネルまたは第２のチャネル群に導くために、保護装置は、複数のカラーフィルタまたは相互に異なる波長領域の複数の光源から構成されていてもよい。

図２２は、少なくとも１つの光源と光学チャネルのアレイを有する投影装置を用いて投影する方法２１００の概略フローチャートである。この方法は、光源と投影光学系との間に第１および第２の屈折光学自由曲面を配置するステップ２１０５と、第１および第２の屈折光学自由曲面を用いて、物体光パターンによる投影光学系のケーラー照明を行わせ、その結果、投影光学系の像面に投影される像を生成するステップ２１１０と、光チャネルのアレイの像を互いに重ね合わせるステップ２１１５とからなる。

本願発明のさらなる実施形態は、以下の実施例に関する。

（１）少なくとも１つの光源と、隣接する光チャネルからなる任意の一次光学系とを有するビーム整形器または投影ユニットであって、

- ここで、各チャネルは、少なくとも２つの光学的に屈折する自由曲面と、投影レンズ／光学系と、１つまたは複数の強度変調された構造とから構成されており、
- 入力側に配置された光学的自由曲面が、一方で空間的な実光および／または仮想光パターンを形成し、他方で下流の投影レンズ／光学系のケーラー照明が許可されるように、空間的な光の再分配とビーム角制御の両方を引き起こし、
- 投射レンズ／光学系が、自由形状の光再分配および強度変調ユニットによって生成された光パターンを、所望の方法で、１つまたは複数の実または仮想のターゲットにもたらし、
- すべてのチャネルの個々の光分布を、１つまたは複数の実物および／または仮想ターゲット上に重畳すると、所望の全体的な光分布が得られる、ビーム整形器または投影ユニット

（２）強度変調ユニットを有しない実施例１に従ったビーム整形器または投影ユニットであって、各チャンネルにおいて、２つの入力側光学自由曲面が、光源光分布からの空間再分布およびビーム角の影響によるぼけ効果を最小にしたチャンネル単位の所望の仮想物体光パターンを生成し、下流の投影レンズ／光学系が、これらの仮想物体光パターンを１つまたは複数の実物および／または仮想ターゲット上に可能な限り最良の方法で結像させる、ビーム整形器または投影ユニット

（３）２つの入力側自由曲面に起因して形成された複雑な仮想対物パターンの収差を最小にするために、投影光学系が１つまたはいくつかの自由曲面を含む、先の実施例のいずれかによるビーム整形器または投影ユニット

（４）実施例１に従ったビーム整形器または投影ユニットであって、ここで、各チャンネルにおいて、２つの入力側光学自由曲面が、空間再分布およびビーム角の影響をほとんど損失なく受けることによって、強度変調ユニットを介して光源光を導き、下流の投影レンズ／光学が、形成された光パターンを、可能な限り最良の方法で、１つまたは複数の実物および／または仮想のターゲット上に結像する、ビーム整形器または投影ユニット

（５）ほぼすべての光チャネルがほぼ同じターゲット光分布を生成し、したがって最大限度の均質化または潜在的な色混合を生成する先の実施例のいずれかによるビーム整形器または投影ユニット

（６）光チャネルのすべてまたは群が、潜在的に異なるターゲット位置で異なるターゲット光分布を生成し、すべての光チャネルを重合わせることによってターゲット上の全体の光分布が形成される、先の実施例のいずれかによるビーム整形器または投影ユニット

（７）光の再分配によって主に達成され、光吸収によって限られた程度にのみ達成されるように、個々のチャネルの主ビーム角分布を光源および所望のターゲット分布に適合させる、全ての／いくつかのチャネルに共通の下流および／または上流の付加的な光学表面／自由曲面を有する、先の実施例のいずれかによるビーム整形器または投影ユニット

（８）光学系の受光角度領域の外側の入射光により生じる先行する実施例のいずれかに従ったビーム整形器または投影ユニットであって、個々のチャネル間の非理想的な構造的遷移または粗さ／構造形態の逸脱のような製造上のアーチファクトの結果として、チャネルの配置および光学系の形態（デッドゾーン、スプリアスエッジ、チャネル遷移領域など）に起因する潜在的な光学的に非活性な領域によって引き起こされる迷光および散乱光を抑制および最小化するための、開口層のような異なる、強度変調構造をさらに有する、ビーム整形器または投影ユニット

（９）すべてのチャネル、すなわち照明自由曲面、投影レンズ／光学系および強度変調構造の全ての光学構造が平面基板上に位置する、または平面上に配置される、先の実施例のいずれかに記載のビーム整形器または投影ユニット

（１０）光学構造の少なくともいくつかが傾斜面上に配置され、隣接チャネルの光学構造間の不連続／急峻な遷移が非対称な光分布で最小限に抑えられる、先の実施例のいずれかによるビーム整形器または投影ユニット。

（１１）光学構造の少なくともいくつかが湾曲した自由曲面上に配置されており、個々のチャネルの主放射角がこれによって適合されていてもよく、かつ同時に、光学チャネル間の不連続／急峻な遷移／不感帯／光学的に不活性な領域を低減または防止することができる前述の実施例のいずれかによるビーム整形器または投影ユニット

（１２）六角形、矩形、帯状の配置のような光チャネルの異なる配列またはタイル状のトポロジーが存在してもよいが、確率的タイリングまで歪んだ規則的な配置や不規則な配置さえも適用することができる、先の実施例のいずれかによるビーム整形器または投影ユニット確率的タイリングを適用することができる。

（１３）異なる光チャネル／チャネル領域が、チャネル内の追加の異なるカラーフィルタに起因するか、または異なる関連するカラー光源ユニットにより、限定された波長のみを提供し、かつチャネルごとの光学系構造の適応による色収差のチャネル方向の補正を保証することができる、先の実施例のいずれかによるビーム整形器または投影ユニット

いくつかの態様は、装置に関連して説明されているが、これらの態様は、対応する方法の説明も表しているので、装置のブロックまたは要素は、対応する方法ステップまたは方法ステップの特徴であると理解されるべきである。同様に、方法ステップに関連して、または方法ステップとして記載されている態様は、対応するブロックまたは対応する装置の詳細または特徴の記述も表している。

上述した実施形態は、単に本願発明の原理の例示に過ぎない。本明細書に記載されている配置および詳細の変更および変形は、当業者には明らかであると理解されるべきである。したがって、本願発明は、添付の特許請求の範囲の保護の範囲によってのみ限定されることが意図されているが、実施形態の説明および議論を用いて本明細書に提示されているものではない。
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Claims (4)

1. ターゲット面上に全体的な光分布を生成するための投影装置であって、
   少なくとも１つの光源と、
   互いに隣接する光学投影チャネルのアレイであって、
   各チャネルは投影光学系、ならびに前記少なくとも１つの光源と前記投影光学系との間に配置された第１および第２の屈折光学自由曲面を備え、
   前記第１および第２の屈折光学自由曲面は前記光源が生成する光を使用して、前記投影光学系のターゲット面に所望の出力強度パターンをもたらす対物光パターンによって下流の投影光学系のケーラー照明を引き起こし、ここで前記全体的な光分布は各チャネルの前記所望の出力強度パターンの重畳から生じ、前記対物光パターンは前記投影光学系による結像に付される光パターンを表し、前記光パターンは光の空間分布を表し、
   各チャネルにおいて、前記第１および第２の屈折光学自由曲面は光強度分布およびビーム方向を制御し、前記第１の屈折光学自由曲面は、入射ビームがコリメートしないような形で、前記第２の屈折光学自由曲面に前記所望の出力強度パターンを生成し、前記第２の屈折光学自由曲面は前記入射ビームの方向を変更させて、前記入射ビームをケーラー照明に従って前記投影光学系にガイドする、投影装置。
2. 前記投影装置は、遮蔽なしでエテンデューを実質的に維持して動作する、請求項１に記載の投影装置。
3. 各光学的投影チャネルは、ターゲット面への前記所望の出力強度パターンの達成に資するために遮蔽物を備える、請求項１に記載の投影装置。
4. すべての光学的投影チャネルがほぼ同じ前記所望の出力強度パターンを生成する、請求項１ないし３のいずれかに記載の投影装置。
   

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