KR20180050364A - 투사 디바이스 및 광학 자유 형상면들을 포함하는 투사를 위한 방법 - Google Patents

Abstract

도시된 것은 적어도 하나의 광원(4) 및 광 채널들(6, 6a, 6b)의 어레이를 갖는 투사 디바이스(2)이다. 각각의 채널은 제1 굴절 광학 자유 형상면(8a, 8b) 및 제2 굴절 광학 자유 형상면(10a, 10b) 및 투사 광학계(12)를 포함한다. 제1 및 제2 굴절 광학 자유 형상면들(8, 10)은 광원(4)과 투사 광학계(12) 사이에 배열되고, 객체 광 패턴(13a, 13b, 13a', 13b', 13a", 13b")에 의해 투사 광학계(12)의 쾰러 조명을 발생시켜, 투사 광학계(12)의 이미지 면에 이미지(14a, 14b)가 투사되게 하며, 여기서 광 채널들(6)의 어레이의 이미지들은 서로 겹쳐진다.

Description

투사 디바이스 및 광학 자유 형상면들을 포함하는 투사를 위한 방법

본 발명은 투사 디바이스 및 굴절 광학 자유 형상면들을 갖는 투사를 위한 방법에 관한 것이다. 실시예들은 자유 형상 어레이 투사를 나타낸다. 실시예들에 따르면, 자유 형상면들은 객체 광 패턴에 의해 투사 디바이스의 투사 광학계의 쾰러(K

ohler) 조명을 생성한다.

예를 들어, 일반적인 조명에서의 배경 및 악센트 조명과 같은 많은 응용 분야들에서 임의의 구조화된 조명을 생성하고, 자동차 응용들에 대해 정의된 방사 프로파일들을 생성하고, 측정 목적들로 객체들에 대한 광 패턴들을 생성할 때 빔 형성기/투사 유닛이 이용될 수 있다. 정보는 광학적으로 시각화될 수 있는데, 이는 실제 타깃을 조명함으로써 그리고 또한 눈에 보이는 가상 이미지들을 생성함으로써 이루어질 수 있다.

서로 다른 솔루션 접근 방식들 사이의 비교를 객관적으로 수행할 수 있게 하기 위해, 이러한 빔 형성기들/투사 유닛들의 일부 관련 특징이 되는 양들은 이하에 간략하게 요약될 것이다. 조명 및 투사 작업들의 대부분의 응용들에는 다음의 특징이 되는 양들이 관련된다:

(A) 충분히 큰 광속(light flux)/광 전력 보장

(B) 콤팩트하고 소형화된 광학계, 여기서는 광학계 두께에 주요 강조점이 있음

(C) 광학계를 통한 고전력 투과/전력 효율

(D) 가장 상이한 광 분포(light distribution)들을 생성하는 방법:

- 대략적이고, 순조롭고, 약하게 변하는 분포들

- 글들, 예를 들어 고해상도 이미지들에서와 같이 고해상도로 미세하고 고도로 패턴화된 광 분포

- 작은 콘트라스트에서부터 (광이 없는 조명 범위 내의 타깃 영역들과 같은) 매우 높은 콘트라스트들까지의 범위

- 임의의 에지 기하학적 구조들

- 결합하여 가장 상이한 요건들

(E) 공간 소스 불균일성에 대한 균질화 효과, 특히 색 혼합 방법, 특히 소스 위치 및 소스 배열에 대한 충분한 공차들

(ⅰ) 단일 채널 매크로스코픽(macroscopic) 프로젝터들을 갖는 광 분포들의 패턴화된 조명 및 투사가 잘 알려져 있다[Malacara]. 타깃들 상의 임의의 원하는 광 분포들(D)이 생성될 수 있다. 그러나 광은 예를 들어, 흡수성 슬라이드들 또는 동적 결상기들에 의해 페이드 아웃되며, 이는 전력 효율(C)의 상당한 손실을 야기할 수 있다. 보통, 쾰러 조명 원리가 적용될 것인데, 이는 소스 공간 도메인을 타깃 광선 도메인(E)으로 변환하는 것을 의미하지만, 구체적으로는 벌집형 집광기들을 사용하는 것과 같이 추가 광 혼합이 도입되어야 한다[Pan]. 단일 채널 프로젝터들의 (B)를 소형화할 때, 즉 광학계 높이를 감소시킬 때[Pan, US 2006/0285078 A1], 광학계 면적 또는 표면이 동시에 감소되어야 하며, 이는 투과 가능한 광속(A)의 감소를 수반한다.

(ⅱ) 매우 높은 전력 효율(C)의 임의의 원하는 패턴화된 조명 패턴을 생성하기 위해, 굴절 또는 반사 조명 자유 형상들이 사용될 수 있다[Ries, Oliker]. 이러한 종류의 자유 형상 조명은 굴절 또는 반사 광 재분포를 기반으로 하며 원칙적으로는 어떠한 흡수 또는 페이딩 구조들도 필요로 하지 않는다. 대개, 소스 광은 추가 투사 유닛 없이 타깃으로 전달된다. 측정 목적들로 스트립 패턴들을 생성하는 것은 [DE 102011014779 A1] 출원의 일례로서 언급될 것이다. 그러나 이러한 타입의 자유 형상 재분포의 적용은 상당한 결함들을 나타낸다. 광 재분포에서, 자유 형상/자유 형상들에 충돌하는 광 분포(즉, 소스 분포 또는 기본 광학계에 의해 수정된 소스 분포)는 잘 알려져야 하며 변경들이 이루어지지 않아야 하는데, 이는 시스템이 비교적 과민함을 의미한다(E). 이 경우에는 균질화 및 광 혼합 효과들 그리고 쾰러 조명 등이 존재하지 않는다. 앞서 설명한 매크로프로젝터와 마찬가지로, 소형화 및 광속 문제가 여기서 역시 적용된다(A, B). 그러나 대체로 가장 큰 결함은 실제 소스 분포들에 대한 광 분포 생성의 제한된 해상도이다[Zwick]. 소스 분포가 파면(wave front), 즉 예를 들어, 매우 잘 시준된 소스 방사 또는 매우 작은 소스 영역을 갖는 파면으로 대략적으로 기술될 수 있다면, 단지 타깃 상의 매우 미세한 광 분포 패턴들이 생성될 수 있다. 그렇지 않으면, 결과는 비교적 강한 블러링(blurring) 또는 스미어링(smearing) 효과들이 될 수 있는데, 이들은 한편으로는 광학 설계에서 고려되어야 하고, 다른 한편으로는 미세 타깃 패턴들을 방지해야 한다. 이런 이유로, 재분포 자유 형상들의 가장 빈번한 실제 적용은 매우 매끄럽거나 균일한 조명을 생성하는 것이다[Luo, Wu, Zhao].

(ⅲ) 투사 광학계와 자유 형상 광학계를 연결할 때, 기본적으로 두 가지 경향들이 관찰될 수 있다. 한편으로는, 위에서 설명한 재분포 자유 형상들이 슬라이드들이나 결상기들 또는 광 혼합기의 양호한 균일한 조명에 사용된다[Zhao, Minano]. 다른 한편으로는, 자유 형상들, 즉 프로젝터의 광학 조명 경로에서의 자유 형상 엘리먼트들을 결상하는 것은 보다 높은 결상 품질의 보다 콤팩트한 광학계를 야기할 수 있다[Rico, US 8717671 B2, US 8616711, US 2015/0205099 A1]. 그러나 (ⅰ)에서 설명한 바와 같은 결함들은 이것으로 감소되지 않는다.

(ⅳ) (ⅰ)에 따라 기술된 낮은 광속, 즉 광학계 높이를 감소시킬 때 타깃의 낮은 밝기는 소위 어레이 프로젝터들에 의해 제거되었다[DE 102009024894 A1, DE 102011076083 A1, Sieler]. 광 채널당 적어도 하나의 집광기 렌즈릿(lenslet), 결상될 객체 패턴 및 적어도 하나의 투사 렌즈릿을 갖는 복수의 광 채널들을 사용함으로써, 광학계 높이가 감소되고 높은 광속이 또한 보장된다. 균질화 및 광 혼합 효과, 쾰러 조명 원리 및 소스 분포에 대한 공차들이 여기서 확인될 수 있다. 그러나 잠재적으로 낮은 전력 효율 또는 시스템 투과 문제가 여전히 존재한다. 결상될 객체 패턴들의 결과로서 광을 흡수 또는 페이딩함으로써, 상당한 투과 손실들이 발생할 수 있다. 예를 들어, 강한 조명 강도 최대치들을 갖는 그레이 스케일 프로파일들을 생성할 때, 덜 밝거나 심지어 부족한 배경 조명 상에 좁은 광 패턴 피처들을 형성할 때 또는 조명될 실제 또는 가상 영역의 중대한 경계들을 생성할 때 상당한 손실들이 발생한다.

이에 따라, 주지된 단일 채널 프로젝터 또는 조명 구성들은 프로젝터들/조명 구성들의 소형화가 투과 가능한 광속의 감소를 수반한다는 단점들을 나타낸다. 또한, 실제 입력 광 분포들로 자유 형상 광 재분포를 갖는 현재의 조명 구성들은 상당한 결함들을 나타내며, 공간상 고주파 조명 패턴들을 생성하기 위해 거의 시준된 입력 광 또는 작은 소스 영역들에만 독점적으로 사용될 수 있다. 그렇지 않으면, 결과는 비교적 강한 스미어링 또는 블러링 효과들이 될 수 있어, 투사된 이미지에 어떠한 미세 패턴도 생성될 수 없다. 또한, 그러한 시스템들은 광학적으로 과민하다. 게다가, 프로젝터들의 애퍼처(aperture)는 프로젝터의 입력 광속을 상당히 감소시킬 수 있으며, 그 결과는 크게 감소된 전력 송신이다.

결과적으로, 본 발명의 기반이 되는 과제는 투사 이미지들에 대한 또는 패턴화된 조명에 대한 개선된 개념을 제공하는 것이다.

이 목적은 독립 청구항들의 요지에 의해 달성된다. 추가 발명의 구현들은 종속 청구항들에 정의된다.

실시예들은 적어도 하나의 광원 및 광 채널들의 어레이를 포함하는 투사 디바이스를 도시하며, 여기서 각각의 채널은 제1 굴절 광학 자유 형상면 및 제2 굴절 광학 자유 형상면 그리고 투사 광학계를 포함한다. 제1 굴절 광학 자유 형상면과 제2 굴절 광학 자유 형상면은 광원과 투사 광학계 사이에 배열되고, 객체 광 패턴에 의해 투사 광학계의 쾰러 조명을 발생시켜, 투사 광학계의 이미지 면에 이미지가 투사되게 하며, 여기서 광 채널들의 어레이의 이미지들은 서로 겹쳐진다. 따라서 광 채널들의 이미지들을 중첩시킴으로써 전반적인 광 분포 또는 전체 결상 또는 전체 이미지가 달성될 수 있다. 투사 광학계에 의해 결상되는 그 광 패턴은 객체 광 패턴으로 간주된다. 즉, 객체 광 패턴은 결상할 때의 객체이며, 여기서는 종래의 어레이 프로젝터들과 달리, 슬라이드가 사용되는 것이 아니라, 광 분포가 사용된다.

본 발명의 기반이 되는 아이디어는 광 채널에 배열된 2개의 굴절 광학 자유 형상면들에 의해 광 재분포 및 광원의 광의 각도 분포의 변화를 얻기 위해 쾰러 조명을 사용하는 것이며, 이는 투사 광학계에 의해 투사된 이미지로 표현될 수 있는 객체 광 패턴을 야기한다. 객체 광 패턴은 실제 및 가상 둘 다일 수 있다. 입사광은 시준되며 또한 발산할 수 있다. 즉, 객체 광 패턴은 투사 광학계가 광 분포를 사용하여 이미지를 투사하도록 투사 광학계에서 광 분포를 야기할 수 있다. 굴절 광학 자유 형상면들의 사용은 적어도 완전히 반사 방지면들로, 투사된 이미지 또는 조명 타깃으로의 광 입력 전력의 완전한 전달을 가능하게 한다. 따라서 전체 광 전력의 손실이 감소될 수 있고, 보다 밝거나 보다 강하게 조명된 이미지들이 투사되거나 결상될 수 있는데, 즉 타깃 또는 이미지 평면 상의 조사도(irradiance)가 증가된다. 조사도 및 강도라는 용어들은 이후 동의어들로 사용될 것이며, 여기서 두 용어들은 모두 시준 및 비-시준 또는 발산 광 모두와 관련된다. 특히, 강도라는 용어는 오직 시준광에만 국한되지 않는다.

위의 원리들은 투사 광학계의 쾰러 조명과 자유 형상 광 분포를 결합함으로써 상당히 개선될 수 있다. 쾰러 조명은 공간 소스 패턴이 수차(aberrated) 방식으로 투사 광학계들의 입사 동공(entrance pupil)으로 결상되는 것을 의미한다. 즉, 광원은 쾰러 조명에 의해 투사 광학계의 평면 또는 (만곡된) 표면에 결상된다. 상기 평면 또는 표면은 투사 광학계의 입사 동공인데, 즉 입사 동공 내의 공간 광 분포는 소스 패턴에 의해 결정된다. 그러나 자유 형상 광 재분포로 인해, 입사 동공 내의 각도 분포 정보는 달성될 조명 분포에 의해 결정된다. 투사 광학계의 입사 동공 뒤 투사 디바이스에서의 결과는 투사 광학계에 의해 타깃으로 결상되는 공간 객체 광 패턴이다. 객체 광 패턴은 소스와 투사 광학계 사이에 위치된다. 발산 또는 비-시준 입사광, 즉 선명한 공간상 고주파 광 분포 콘텐츠를 갖는 객체 광 패턴들이 생성될 수 있음에도 불구하고, 자유 형상면들에 가까운 객체 광 패턴들(제1 자유 형상면 앞의 가상 객체 광 패턴, 2개의 자유 형상면들 상의 또는 그 사이의 가상 객체 광 패턴, 제2 자유 형상면 뒤의 실제 객체 광 패턴)이 공간상 고주파 정보를 특히 많이 포함할 수 있다. 이러한 객체 광 패턴들이 투사 광학계에 의해 픽업되는 경우, 공간적으로 확장된 광원들의 발산 또는 비-시준광이 사용되더라도, 어떠한 블러링 효과들이나 중첩하는 아티팩트들도 없이, 또는 블러링 효과들이나 중첩 아티팩트들이 감소되어 타깃 상에 조명 패턴들이 생성될 수 있다. 투사 광학계의 쾰러 조명이 없는 종래의 자유 형상 조명 개념과 비교할 때 블러링 효과들의 가시적인 감소는 적어도 20%, 적어도 40% 또는 적어도 60%만큼 이미지 선명도의 개선을 가능하게 한다.

실시예들에 따르면, 투사 디바이스는 투과 변조 구조를 포함할 수 있으며, 투과 변조 구조는 투사 광학계의 이미지 평면에 투사될 선명해진 이미지를 생성하기 위해 공간상 고주파 패턴들을 광 패턴으로 새기도록 구성된다. 따라서 예를 들어, 보다 선명한 에지들 또는 보다 미세한 구조들을 포함하는 객체 광 패턴들뿐만 아니라, 투과 변조 구조들 없이 생성된 매핑과 비교할 때 매우 다양한 매끄러운 강도 분포들 또는 조사도에도 기반하여 이미지들이 결상될 수 있다. 투과 변조 구조는 예를 들어, 광에 대해 서로 다른 투과도들의 영역들을 포함하거나 (주로) 구조의 영역들이 광을 투과시키고 그리고 (주로) 구조의 영역들이 광을 반사 및/또는 흡수하도록 변조되는 애퍼처, 슬라이드, 마스크 또는 결상기일 수도 있다. 즉, 투과 변조 구조에 충돌하는 광은 본질적으로 또는 배타적으로 광 투과 영역에서 투과되거나 투과되게 하며, 여기서 투과 변조 구조의 광 불투명 영역에 충돌하는 광은 (기본적으로) 반사 또는 흡수되며, 이에 따라 투과되거나 투과되게 하지 않는다. 투과 변조 구조는 결과적으로 광의 강도 변조를 야기할 수 있으며, 여기서 강도 변조라는 용어는 시준 및 발산 광에 적용될 수 있으며, 특히 시준광으로 제한되지 않는다.

추가 실시예들에 따르면, 투과 변조 구조의 광 불투과 영역에서의 조사도와 비교할 때, 투과 변조 구조의 광 투과 영역에서 더 높은 조사도를 얻기 위해, 제1 및/또는 제2 굴절 광학 자유 형상면(들)은 투과 변조 구조의 광 투과 영역에서 광원으로부터의 광의 방사 강도를 증가시키도록 구성될 수 있다. 즉, 두 굴절 광학 자유 형상면들 모두가 투과 변조 구조의, 즉 예를 들어, 애퍼처, 슬라이드 또는 마스크의 투과 또는 광 투과 영역에서 광 분포(및 광의 각도 분포)를 수행할 수 있다. 이는 투과 변조 구조에 의해 흡수되는 또는 투과되지 않는 광의 부분이 감소되고, 따라서 이미지를 투사하기 위한 증가된 광 강도 또는 더 높은 조사도가 이용 가능할 것이므로 이점이 있다. 이에 따라, 증가된 밝기 또는 조사도로 이미지들을 투사하는 것이 가능하다.

이 배열에서, 투과 변조 구조는 제1 굴절 광학 자유 형상면 및 제2 굴절 광학 자유 형상면에 의해 미리 성형된 (최종) 객체 광 패턴을 형성할 수 있다. 따라서 투사 광학계는 투사 광학계의 이미지 영역에서 객체 광 패턴에 의한 조명을 얻기 위해 투과 변조 구조 내에 또는 적어도 그 근방에 위치된 객체 평면 또는 객체 영역을 포함할 수 있다. 원거리장 조명, 즉 무한대의 조명 타깃에 대해, 투사 광학계의 좌측 초점면, 즉 광원을 향하는 초점면은 적어도 투과 변조 구조에 근접할 것이다. 투사 디바이스와 유한 거리에서 (실제/가상) 타깃을 조명하는 경우, 투사 광학계의 객체 평면 또는 객체 영역을 투과 변조 구조에 가깝게 하기 위해 종래의 결상 법칙들[Born-Wolf]이 적용될 것이다. 추가 굴절 광학 자유 형상면들은 객체 광 패턴과 유사한 투과 변조 구조의 평면에서 광 패턴을 얻기 위해 광 재분포를 수행한다. 객체 광 패턴에 대한 광 패턴의 유사성은 대상의 인식에 또는 적어도, 매칭하는 개략적 구조 또는 적어도 위치에 관련된다. 따라서 객체 광 패턴은 보다 선명한 윤곽들 또는 일반적으로 더 높은 공간 주파수들을 포함할 수 있지만, 투사될 이미지의 패턴 또는 개략적 형상 또는 적어도 위치는 이미 광 패턴에서 인식될 수 있다. 결상을 위해 제공된 객체 광 패턴은 다음에, 투과 변조 구조에 의해 형성된다. 추가로, 이 실시예들에서 굴절 광학 자유 형상면들은 또한 객체 광 패턴에 의한 투사 광학계의 쾰러 조명이 얻어지는 방식으로 입사광의 각도 분포에서 변화를 발생시킨다.

추가 실시예들에 따르면, 제1 굴절 광학 자유 형상면은 공간 광 재분포 및/또는 광원에 의해 방사된 광선들의 광선 각도들의 제어를 수행하도록 구성될 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 제2 굴절 광학 자유 형상면은 쾰러 조명에 따라 수렴 방식으로 투사 광학계에 광선들을 재지향시키도록 구성될 수 있으며, 제1 굴절 광학 자유 형상면과 제2 굴절 광학 자유 형상면은 서로 영향을 미친다. 특히, 수학적 관점에서 제1 굴절 광학 자유 형상면 및 제2 굴절 광학 자유 형상면은, 새롭게 제공된 광 분포에 기초하여 원하는 객체 광 패턴이 생성될 수 있도록 투사 광학계의 쾰러 조명과 공간 광 재분포 모두를 갖기 위해 결합 미분 방정식들을 푸는 것에 의해 얻어질 수 있다.

추가 실시예들은 실제 광 패턴에 기초하여 광원과 제2 굴절 광학 자유 형상면 사이의 광 채널에서 가상 객체 광 패턴을 생성하는 제1 굴절 광학 자유 형상면 및 제2 굴절 광학 자유 형상면을 도시하며, 여기서 가상 객체 광 패턴은 투사될 이미지의 매핑이고, 실제 광 패턴은 제1 굴절 광학 자유 형상면 및 제2 굴절 광학 자유 형상면을 투과한 후에 형성된다. 즉, 여기서 제1 굴절 광학 자유 형상면 및 제2 굴절 광학 자유 형상면은 제2 굴절 광학 자유 형상면 앞에 위치하는 가상 객체 광 패턴을 생성한다. 비유적인 방식으로 표현하면, 이는 제2 굴절 광학 자유 형상면 뒤에 실제 광 패턴의 광 빔들을 연장시킴으로써 얻어질 수 있다. 가상 객체 광 패턴은 투사 광학계의 실제 광 패턴이 투사될 이미지로서 어떻게 표현되는지를 예시하기 위한 보조적인 표현이다. 결과적으로, 투사 광학계는 가상 객체 광 패턴이 예시되는 평면 또는 표면에 가까운 객체 광 패턴을 사용하고, 최종적으로 이를 타깃에 결상할 수 있다. 즉, 투사 광학계의 객체 평면은 가상 객체 광 패턴이 얻어지는 표면에 가깝게 또는 그 표면 내에 배치된다. 또한, 가장 적은 블러링 효과를 갖는(또는 가장 크거나 가장 선명한 정보 콘텐츠를 갖는) 가상 객체 광 패턴은 평면 내에 위치하지 않는 복잡한 형태들을 취할 수 있다. 이 경우, 투사 광학계의 객체 평면은 이 가상 객체 광 패턴의 중심 위치에 그리고 이에 따라 그에 가깝게 배치될 수 있는데, 이는 최소 블러링을 갖는 가상 객체 광 패턴과 객체 평면이 일치하지 않을 수 있기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 여기서 객체 평면은 적어도 대략적으로(부분적으로), 목표가 된 가상 객체 광 패턴 내에 있을 수 있다. 복잡한 형상을 갖는 이러한 객체 광 패턴을 개선된 또는 보다 선명한 방식으로 결상할 수 있도록 하기 위해, 투사 광학계의 객체 영역이 객체 광 패턴의 형상과 더 잘 맞도록 추가 자유 형상들을 사용하여 투사 광학계가 구현될 수 있다. 객체 광 패턴이 (평탄한) 평면의 형상을 갖는다면, 투사 광학계의 객체 평면에서 객체 광 패턴은 객체 광 패턴이 표현되는 그 평면 내에 있게 될 것이다. 그렇지 않으면, 목표가 된 객체 광 패턴이 결상되는 것이 아니라, 다음에 인접한 광 패턴이 (목표가 되지 않은) 객체 광 패턴이 될 것이다.

추가 실시예들은 투사 광학계가 실제 또는 가상 투사 표면에 투사될 이미지를 결상하도록 구성되며, 광 채널들의 어레이의 투사 광학계는 실제 또는 가상 투사 표면 상에 투사될 이미지들을 중첩시키도록 구성된다. 이는 투사 광학계가 벽과 같은 실제 투사 영역 또는 표면(타깃)에 투사될 이미지를 결상할 수 있기 때문에 유리하다. 추가로 또는 대안으로, 투사 디바이스는 또한 이론적으로는 단지 무한대로 실제 이미지를 야기할 것이지만, 눈과 같은 추가 렌즈를 사용하여 실제 투사 표면 상에 결상될 수 있는 가상 이미지를 투사할 수도 있다. 이 경우, 눈은 무한 거리로 조정될 것이다. 유사하게, 투사 디바이스는 또한 엘리먼트까지의 유한 거리에서 가상 이미지를 생성할 수 있고, 눈과 같은 추가 광학계를 사용하여, 이 이미지가 실제 투사 표면으로 가게 될 수 있다. 이 경우, 눈은 유한 객체 거리로 조정될 것이다. 이는 광 채널들의 어레이의 개개의 채널들이 실제 또는 가상 투사 표면 상에 동일한 대상을 갖는 각각의 이미지들을 중첩시키도록 구성될 수 있음을 의미한다. 이는 본 실시예들에 따라, 각각의 채널이 예를 들어, 밝기 분포 또는 파장 범위들이 다를 수 있는(즉, 예시적으로는 서로 다른 기본 색을 포함할 수 있는) 동일한 대상을 갖는 이미지들을 생성하고, 서로 다른 채널들로부터의 이미지들을 중첩하는 것이 투사 표면 상의 개선된 광 분포를 야기하기 때문에 이점들이 된다. 이것은 불균일한 소스 분포들에서의 광 분포의 균질화를 야기한다. 더욱이, 착색된 소스 배열들의 개선된 색 혼합들이 이것에 의해 달성될 수 있다. 마지막으로, 소스 배열들에 대한 시스템의 공차 또는 광학계 제조 부정확성들이 증가된다. 따라서 전체 결상의 대상은 광 채널들의 투사된 (개별) 이미지들로 구성될 수 있으며, 여기서 광 채널들의 이미지들은 각각 다른 대상을 포함한다. 개개의 이미지들은 예를 들어, 이미지 전환들에서의 불연속성들을 피하기 위해 2개의 채널들의 이미지들이 예시적으로 1/2 또는 1/4만큼 중첩하도록 투사 표면 상에 배열된다. 즉, 투사된 (개별) 이미지에서의 (예시적으로는 생성 부정확성에 의해 야기되는) 이미지 오류들은 예를 들어, 추가 이미지들을 중첩하여 전체 이미지를 형성함으로써 보상되는 불균일한 밝기 분포를 나타낼 수 있다. 대안으로, 개별 채널들 또는 채널들의 그룹들은 실제 또는 가상 투사 표면 상에 서로 다른 이미지들을 생성하도록 구성될 수 있으며, 여기서 실제 또는 가상 투사 표면 상의 전체 이미지는 서로 다른 이미지들을 적어도 부분적으로 서로 중첩시키는 것에 의해 생성된다. 이는 채널들의 개개의 투사된 이미지들로부터 전체 합성 결상들이 생성될 수 있기 때문에 유리한데, 이는 동일한 크기의 개개의 이미지에서 상당히 증가된 복잡도로만 예시될 수 있다. 이는 예를 들어, 투사 광학계의 큰 방사각들이 투사 표면을 조사 또는 조명하는 데 유리한 경우에 발생할 수 있다.

추가 실시예들은 서로 다른 파장 범위들을 처리하도록 구성된 적어도 2개의 채널들 또는 채널들의 2개의 그룹들을 나타내며, 여기서 제1 채널 또는 제1 그룹의 채널들은 제1 파장 범위의 결상 오류들을 감소시키고, 제2 채널 또는 제2 그룹의 채널들은 제2 파장 범위의 결상 오류들을 감소시킨다. 따라서 예를 들어, 채널이 최적화된 파장 범위들에서 보다 낮은 불선명도 또는 색수차들로 보다 정확한 투사가 제공될 수 있도록 서로 다른 파 영역들에 대해 서로 다른 광 채널들이 최적화될 수 있다. 또한, 여기서 투사 디바이스는 서로 다른 파장 범위들의 복수의 광원들 또는 복수의 색상 필터들을 포함할 수 있으며, 복수의 색상 필터들 또는 복수의 광원들은 제1 채널 또는 제1 그룹의 채널들에서 제1 파장 범위의 광을 안내하고 제2 채널 또는 제2 그룹의 채널들에서 제2 파장 범위의 광을 안내하도록 구성된다. 따라서 바람직하게는, 어레이 내의 하나의 채널 또는 한 그룹의 채널들이 예를 들어, 적색, 녹색 및 청색의 세 가지 기본 색들에 대해 각각 최적화될 수 있다. 광학 구조들을 개개의 파장 범위들로 튜닝하거나 조정함으로써, 이미지 오류들이 감소될 수 있어, 이미지들을 투사할 때, 채색된 개별 이미지들이 예를 들어, 백색광으로 튜닝된 채널들에 의해 생성된 전체 이미지와 비교할 때, 개선된 선명도 또는 컬러 프린지들과 같은 감소된 아티팩트들 또는 수차들을 예시적으로 포함하는 전체 이미지를 형성하도록 중첩된다.

추가 실시예들에 따르면, 광 채널들의 어레이의 모든 채널들의 광학 구조들은 평면 기판들 상에 그리고/또는 평면들에 배열된다. 이러한 배열은 증가된 제조 복잡성을 요구하지 않으며, 그에 따라 저렴하게 제작될 수 있기 때문에 이점이 있다. 여기서 광학 구조들은 예를 들어, 제1 굴절 광학 자유 형상면 및 제2 굴절 광학 자유 형상면, 그리고 선택적으로 추가 굴절 광학 자유 형상면들, 투사 광학계 및 선택적으로 추가 투사 렌즈들 및 투과 변조 구조들과 같이, 광 채널에서의 광 분포에 영향을 갖는 모든 엘리먼트들을 요약한다.

추가 실시예들에 따르면, 적어도 하나의 광학 구조는 투사 광학계의 이미지 평면에서 비대칭적인 광 분포를 생성하도록 구성될 수 있으며, 광학 구조는 이웃하는 광 채널들의 상호 인접한 광학 구조들 사이의 불연속성들을 감소시키기 위해 경사면 상에 배열되고, 투사 광학계는 비대칭 광 분포에 기초하여 이미지들을 투사하도록 구성된다. 투사된 이미지의 비대칭 광 분포가 요구된다면, 굴절 광학 자유 형상면들은 예시적으로 광 분포에서 비대칭을 발생시키는 비스듬한 또는 프리즘형 표면 부분들을 포함한다. 평면 내에 광학 구조들을 배열할 때, 투사된 이미지에서 예시적으로 아티팩트들을 유발할 수 있는 점프들 또는 불연속성들은 이웃하는 채널들의 광학 구조들이 서로 접하는 표면들에서 발생할 것이다. 경사면 상에 광학 구조들을 배열함으로써, 인접한 광학 구조들 사이의 불연속성의 정도 또는 점프들의 정도가 감소되고, 여기서 아티팩트들이 또한 감소된다. 추가 실시예에 따르면, 제1 굴절 광학 자유 형상면과 제2 굴절 광학 자유 형상면 각각과 투사 광학계 모두가 곡면 상의 적어도 광 채널에 배열될 수 있으며, 이미지들을 중첩할 때 투사 아티팩트들 및/또는 어레이 채널들 사이의 광학적 비활성 영역들 및/또는 데드 존들을 줄이거나 피하기 위해 광 채널들의 주요 방사 각도들이 조정된다. 이러한 배열은 예를 들어, 광 채널들의 어레이의 모든 채널들이 공통 포락선 상에 배열될 때, 앞서 언급된 효과들을 최소화하고 수학적인 관점에서, 투사 이미지들을 중첩한 후에 가능한 최상의 전체 결상을 얻기 위해 개별적인 채널들의 주요 방사 각도들이 개별적으로 조정될 수 있다는 이점이 있다.

또한, 실시예들은 투사 디바이스를 도시하는데, 이는 적어도 하나의 광원 및 선택적인 1차 광학계, 그리고 이웃하는 광 채널들을 포함하는 빔 형성기/투사 유닛 또는 자유 형상 어레이 프로젝터로 이후에 또한 지칭될 것이다. 각각의 광 채널은 적어도 2개의 굴절 자유 형상면들, 투사 렌즈/광학계 및 하나의 또는 여러 개의 투과 변조 구조들을 포함한다. 입사 측에 배열된 광학 자유 형상면들은, 한편으로는 공간적 실제 또는 가상 광 패턴들이 형성되고 다른 한편으로는 다운스트림 투사 렌즈/광학계의 쾰러 조명이 허용되도록 공간 광 재분포와 방사 각도들의 제어 모두를 야기한다. 투사 렌즈/광학계는 자유 형상 광 재분포에 의해 그리고 투과 변조 유닛들에 의해 생성된 광 패턴을 하나 또는 여러 개의 실제 또는 가상 타깃들로 전달하며, 개별 채널들의 개별 광 분포들을 중첩함으로써 전체 광 분포가 형성된다.

단순히 어레이 프로젝터에서 광 재분포 자유 형상면을 사용하는 것은 거의 쓸모가 없다. 또한, 효과들이 결합된 적어도 2개의 자유 형상면들을 사용하는 것이 유리하다.

실시예들에 따르면, 빔 형성기/투사 유닛은 동시에 큰 광속(B)을 갖는 콤팩트한 초박형 광학계(A)이다. 매끄럽게/개략적으로 패턴화된 광 분포들 모두가 자유 형상 광 재분포에 의해 생성될 수 있으며, 자유 형상 광 재분포 및 투과 변조 구조들(D)을 결합함으로써 원하는 거의 임의의 콘트라스트들을 갖는 매우 미세한 고해상도 광 패턴들이 생성될 수 있다. 자유 형상 광 재분포를 적용함으로써, 광학계의 동력 전달이 상당히 개선될 수 있다(C). 매우 미세한 고해상도 타깃 광 패턴들로, 자유 형상 광 재분포에 의해 광학계 내의 실제 광 패턴이 생성되는데, 이는 (애퍼처들과 같은) 투과 변조 구조들에 매우 잘 적응되어 광의 손실이 있는 페이딩을 크게 감소시킨다. 덜 미세한 타깃 광 분포들로, 무손실 자유 형상 광 재분포가 배타적으로 적용될 수 있고, 투과 변조 구조들은 오히려 산란 및 미광(stray light) 최소화를 위해 작용한다. 종래의 자유 형상 광 재분포에서 (ⅱ)에 따라 설명된 패턴 스미어링/블러링이 본원의 새로운 광학계에 의해 매우 크게 감소될 수 있다는 점이 여기서 특히 강조되어야 한다. 2개의 자유 형상면들의 공통 효과에 의해, 광학계 내의 결과는 투사 렌즈/광학기에 의해 타깃으로 전사되는 약간 블러링된 객체 광 패턴이다. 이 경우, 결상 투사 렌즈/광학기에 의해 픽업되어야 하는 가상 객체 광 패턴이 자주 사용된다. 결상 투사 광학계는 가장 쉬운 경우에는 단일 마이크로 렌즈일 수 있다. 다중 표면 광학계는 또한 개선된 결상 품질을 위해 사용될 수도 있다. 평범하지 않게 분포된 "객체 광 패턴"으로, 그리고 또한 평범하지 않은 타깃 형상들로, 결상 투사 광학계의 추가 자유 형상면들이 유리하다. 가장 상이한 종류들의 타깃 광 패턴들 외에도, 소스 영역의 공간 불균일성들이 타깃 상에서 보이지 않도록 쾰러 조명 원리가 광학계에 의해 적용된다(E). 개별 채널들의 광 분포들을 타깃 상에 중첩시키는 것은 전체 광 분포를 야기한다. 적어도 일부 채널들이 각각 준-균등 광 하위 분포들을 갖는 동일한 타깃 영역들을 제공하는 경우, 그 결과는 광학계의 광 혼합 및 균질화 효과이다(E).

본 발명의 유리한 구현들에 따르면, 광의 각도 분포의 광 재분포 및 적응을 수행하기 위해 광 채널에서 그 효과들이 결합된 적어도 2개의 자유 형상면들을 배열하는 것이 유리하다.

다음에, 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면들을 참조로 상세히 설명될 것이다.
도 1은 투사 디바이스의 개략적인 예시이다.
도 2는 빔 형성기/투사 유닛 또는 투사 디바이스의 발명의 실시예의 개략적인 예시이다.
도 3은 3개의 굴절 표면들 및 애퍼처 구조를 갖는 실시예를 사용하여 효과의 원리들을 설명하기 위해 빔 형성기/투사 유닛의 단일 채널(여기서 채널 경사가 없음)의 개략적인 예시이다.
도 4는 단일 채널을 사용하는 배타적 자유 형상 빔 재분포에 의한 최소 구조 블러링을 갖는 가상 객체 패턴 평면의 개략적인 예시이다.
도 5는 종래의 어레이 프로젝터로부터 단순화된 모델 및 차별화를 사용하는 배타적 광 재분포에 의한 자유 형상 어레이 프로젝터의 일부 특징들의 개략적인 예시이다.
도 6은 공간 광 패턴을 획득하고 빔들의 각도 분포를 제어하기 위해 2개의 자유 형상들을 동시에 설계하는 기본 아이디어를 설명하기 위한 2개의 자유 형상면들의 개략적인 예시이며, 여기서 도 6a는 시준된 입력 강도를 특정한 번들링된 출력 강도로 재분포시키기 위해 자유 형상 레이저 빔 성형의 도면을 보여주고, 자유 형상면들은 타원체들/원뿔들의 쌍들의 세트들로 분해되며, 관련 초점들이 기본 엘리먼트에 배치되어 상대를 형성하고, 도 6b는 특정한 입력 광 강도 패턴 또는 특정한 입력 광 강도 구조를 갖는 번들링된 광원으로부터의 특정한 광도 분포를 갖는 이상적으로 수렴하는 광선 번들을 생성하는 것을 개략적으로 도시하며, 2개의 자유 형상면들은 입력 타원체들의 그리고 출력 타원들(데카르트 타원들)의 쌍들의 세트들로 분해되고, 도 6c는 특정한 입력 광 강도를 갖는 번들링된 소스 광으로부터의 특정한 광 강도 패턴 또는 특정한 광 강도 구조를 갖는 특정 각도 분포의 수렴하는 광선 번들을 생성하는 것을 개략적으로 도시하며, 2개의 자유 형상면들은 입력 타원들 및 출력에서 일반화된 데카르트 타원들의 쌍들의 세트들로 분해된다.
도 7은 종래의 벌집형 집광기의 일반화로서 (흡수성 애퍼처들 등과 같은) 투과 변조 구조들이 없는 투사 디바이스(또는 자유 형상 어레이 프로젝터)의 개략적인 예시이며, 여기서 우측 삽도들은 광학계 채널의 2개의 조명 자유 형상들의 표면 프로파일들을 보여준다.
도 8은 하나 또는 여러 개의 균일한 또는 구조화되고 단색, 다색 또는 백색 방사 광원들(이 경우에는 예시적으로 다중 칩 RGGB 소스)이 존재할 때 쾰러 조명과 혼합 및 균질화 효과를 예시하기 위한 자유 형상 어레이 프로젝터의 개략적인 예시이다.
도 9는 자유 형상 광 재분포, 흡수/반사 광 페이딩 및 이미징의 협력에 의해 야기된 더 높은 시스템 송신 그리고 또한 매우 높은 공간 주파수에서 타깃 패턴들을 생성하기 위한 실시예에 따른 자유 형상 어레이 프로젝터의 개략적인 예시이며, 여기서 우측 삽도들은 하나의 채널에 대해, 두 조명 자유 형상들의 흡수성 애퍼처 및 표면 프로파일들을 보여주고, 좌측 삽도들은 광 재분포의 결과로서 애퍼처 개구들을 통해 광 빔들이 바람직하게 전파함을 보여준다.
도 10은 도 7과 비교할 때 반대 콘트라스트 조건들을 갖는 굴절 광 재분포에 의해 타깃 광 패턴들을 생성하기 위한 투사 디바이스의 개략적인 예시이다.
도 11은 잠재적으로 불연속적인 채널 전환들, 스퓨리어스 에지들, 데드 존들, 입력 광의 불충분한 시준 등의 결과로서 산란 및 미광을 최소화하기 위한 추가 애퍼처 구조들(애퍼처 층들/애퍼처 벽들)을 갖는 자유 형상 어레이 프로젝터의 개략적인 예시이다.
도 12는 타깃 상에 직사각형 배경 조명을 갖는 밝은 삼각형 패턴을 생성하기 위한 자유 형상 어레이 프로젝터의 개략적인 예시이며, 여기서 서로 다른 채널 중첩이 타깃에 적용되는데, 좌측: 모든 채널들이 준-균등 단일 채널 조명과 타깃의 동일한 영역을 제공하고, 우측: 채널들의 서로 다른 그룹들이 서로 다른 단일 채널 조명을 갖는 타깃의 서로 다른 영역들을 제공하며, 삽도들은 광학계 채널의 2개의 조명 자유 형상들의 표면 프로파일들을 보여준다.
도 13은 개별 채널들의 주요 방사 방향들을 필요한 타깃 분포에 적응시키기 위해, 모든/일부 채널들에 공통인 다운스트림 및 업스트림 추가 광학 표면들/자유 형상면들을 갖는 자유 형상 어레이 프로젝터의 개략적인 예시이다.
도 14는 자유 형상 재분포에 의한 추가 배경 조명 없이 삼각형 타깃 분포를 생성하기 위한 투사 디바이스의 개략적인 예시이고, 여기서 자유 형상들의 뚜렷한 블레이즈 특징(프리즘 형상)에 의해 전력 분포들의 강한 비대칭이 발생하지만, 이것은 서로 다른 채널들 사이의 전환에서 광학계의 강한 불연속성들을 초래하고, 미광 최소화를 위한 애퍼처 구조들을 필요로 한다.
도 15는 입력 측의 처음 2개의 자유 형상면들 사이에 애퍼처들을 갖는 도 14의 투사 디바이스를 도시한다.
도 16은 자유 형상 어레이 프로젝터의 개략적인 예시이며, 여기서 입력 측의 처음 2개의 자유 형상 어레이들은 경사면들 상에 배열되고, 투사 렌즈 어레이가 계단형 구조 상에 배열되며: 이것은 비대칭 광 분포들에 요구되는 자유 형상 어레이들의 채널들 사이의 불연속성들/급격한 전환들의 강력한 최소화를 가능하게 하며, 이는 제조를 상당히 쉽게 만든다.
도 17은 경사면 상의 투사 렌즈 어레이 및 미광 최소화를 위해 제1 기판 상에 추가로 도입된 애퍼처들을 갖는 도 16의 투사 디바이스를 도시한다.
도 18은 추가로 기울어진 소스 유닛(시준 광학계 및/또는 소스들의 경사)을 갖는 도 17의 투사 디바이스를 도시한다.
도 19는 곡면들 상의 광학계 채널들의 배열을 갖는 자유 형상 어레이 프로젝터의 개략적인 예시이며, 여기서 개별 채널들의 주요 방사 각도들은 광 굴절에 의해 소스 및 타깃 분포에 적응될 수 있고, 동시에 채널들 사이의 불연속성들/가파른 전환들/데드 존들/광학적 비활성 영역들이 감소되거나 방지될 수 있다.
도 20은 광 채널들의 배열을 위한 타일링 또는 테셀레이션(tessellation)의 타입들의 서로 다른 예들의 개략적인 예시이다.
도 21은 개별 채널들이 광학계 구조 적응에 의한 색채 동작 보정을 나타내도록 서로 다른 채널 영역들 내에 서로 다른 색상 필터들을 갖는 자유 형상 어레이 프로젝터의 개략적인 예시이다.
도 22는 이미지들을 투사하기 위한 방법의 개략적인 블록도를 도시한다.

동일한 엘리먼트들 또는 동일한 효과의 엘리먼트들에는, 그 설명이 서로 다른 실시예들 사이에서 상호 교환 가능하도록 도면들의 다음 설명에서 동일한 참조 번호들이 제공될 것이다.

실시예들에 따르면, 본 발명의 목적은 패턴화된 조명을 생성하기 위한 또는 잠재적으로 큰 광속을 갖는 투사를 위한 초박형 고효율 광학 엘리먼트를 제공하는 것이며, 여기서는 추가로 소스 방사의 균질화 효과/색 혼합이 발생한다. (고해상도, 고 콘트라스트들 등의 미세한 패턴들과 같은) 대부분 서로 다른 구조적 특징들을 갖는 실제 및/또는 가상 타깃들 상의 광 분포들이 가능해져야 한다.

도 1은 적어도 하나의 광원(4) 및 광 채널들(6, 6a, 6b)의 어레이를 포함하는 투사 디바이스(2)의 개략적인 블록도를 도시한다. 각각의 채널은 제1 굴절 광학 자유 형상면(8a, 8b) 및 제2 굴절 광학 자유 형상면(10a, 10b) 및 투사 광학계(12)를 포함한다. 제1 굴절 광학 자유 형상면(8)과 제2 굴절 광학 자유 형상면(10)은 광원(4)과 투사 광학계(12) 사이에 배열되고, 객체 광 패턴(12)(실제 객체 광 패턴들(13a, 13b)과 가상 객체 광 패턴들(13a', 13a", 13b', 13b") 모두)에 의해 투사 광학계(12)의 쾰러 조명을 발생시키는데, 이는 투사 광학계(12)의 이미지 영역에 투사될 이미지(14a, 14b)를 형성하고, 여기서 광 채널들(6)의 어레이의 이미지들은 서로 겹쳐진다. 광원(4)은 실시예들에 따라, 발산 또는 시준 광, 비간섭성 또는 간섭성, 또는 부분 간섭성, 광, 단색, 다색 또는 백색 광, 즉 특정 스펙트럼 분포를 갖는 광일 수 있는 광(16a, 16b)을 방사하도록 그리고 이들을 광 채널들(6)에 안내하도록 구성된다. 여기서 광(16)은 먼저 제1 광학 자유 형상면(8)에 충돌하고, 이어서 제2 광학 자유 형상면(10)에 충돌한다. 제2 굴절 광학 자유 형상면(10)은 굴절 광학 자유 형상면(8) 뒤에 대응하게 배열될 수 있는데, 여기서 "앞"과 "뒤"의 공간 관계들은 각각의 엘리먼트 상에서의 광(16)의 전파 또는 충돌의 방향을 의미한다.

굴절 광학 자유 형상면들은 실시예들에 따라, 실제 객체 광 패턴들(13a, 13b) 및 가상 객체 광 패턴들(13a', 13b', 13a", 13b")을 생성할 수 있다. 투사 광학계는 투사 광학계의 객체 평면을 선택된 객체 광 패턴에 배치함으로써 타깃화된 객체 광 패턴을 타깃으로 결상한다. 가상 객체 광 패턴들의 경우, 투사 광학계(12)는 굴절 광학 자유 형상면들에 의해 형성된 실제 광 패턴을 나타내지만, 투사 광학계(12)의 객체 평면/객체 표면은 투사 광학계가 굴절 광학 자유 형상면들의 실제 광 패턴에 대응하여 객체 평면에 가상 광 패턴을 결상하도록 광원(4)과 제2 굴절 광학 자유 형상면(10) 사이에 배열된다.

투사 광학계에 의해 결상되는 그 광 패턴은 객체 광 패턴으로 간주된다. 즉, 객체 광 패턴은 투사 광학계를 사용하여 결상할 때의 객체이며, 여기서는 종래의 어레이 프로젝터들과 달리, 슬라이드가 사용되는 것이 아니라, 광 분포가 사용된다.

광의 (현재) 공간 분포는 또한 광 패턴 또는 광 분포로 간주될 것이다. 이것은 결상을 위해 제공되는 경우에 객체 광 패턴이 된다. 선명한 에지들, 높은 콘트라스트들, 가파른 에지들, 큰 밝기 변조들과 같은 특히 많은 양의 공간상 고주파 정보를 포함할 수 있는 이러한 광 패턴들은 특히 중요한 객체 광 패턴들로 간주될 수 있다. 이러한 광 패턴들은 결과적으로 작은 블러링 및 스미어링 효과들을 나타낸다. 한편으로는, 이들은 광이 실제 객체에서 발산할 때 형성될 수 있다. 모든 객체 지점에서 빔들이 발산할 것이다. 결과는 방사 위치와 각도 사이의 상관이다. 예를 들어, 흡수성 슬라이드를 통해 방사할 때, 결과는 방사 각도와는 독립적으로 상당한 공간 광 분포인데, 즉 모든 방사 각도들에 대한 준-균등 공간 분포가 존재하며, 그 중첩은 예를 들어, 결상에 의해 선명한 패턴을 야기할 수 있다. 방사 위치와 각도 사이의 특별한 의존성들을 갖는 유사한 광 패턴들은 슬라이드들과 같은 실제 객체들에 관계없이 광 재분포 및 광 빔 제어에 의해 생성될 수 있으며, 공간적으로 고주파 조명 패턴을 허용할 수 있다. 여기서는 공간적으로 고주파 조명 패턴들이 고효율로 생성될 수 있기 때문에, 가장 적은 블러링 효과들을 갖는 이러한 객체 광 패턴들이 특히 중요하다.

도 2는 이미지들(14a, 14b)이 중첩되어 전체 광 분포 또는 전체 결상 또는 전체 이미지를 형성할 수 있는 실제 투사 표면 또는 영역(18)을 추가로 도시한다. 그러나 대안적인 실시예들에 따르면, 투사 광학계는 또한 가상 타깃 상에 이미지들(14a, 14b)을 결상할 수 있어, 실제 전체 이미지가 무한대로만 또는 추가 광학계를 사용하여 형성될 것이다.

후속적으로 자유 형상 어레이 프로젝터 또는 빔 형성기/투사 유닛으로 흔히 지칭될 본 발명의 투사 디바이스(2)는 동시에 높은 광속 및 높은 시스템 투과/전력 효율을 갖는 매우 평탄한 광학계를 가능하게 하는 신규한 광학 개념을 나타내며, 여기서 고해상도 요건들을 갖는 임의의 광 분포들이 실제 또는 가상 타깃들 상에 생성되고, 동시에 쾰러 조명 원리 및 소스 광 균질화가 적용될 수 있다. 도 2의 예시적인 실현은 광원(4) 또는 (광원들 및 잠재적 1차 광학계를 포함하는) 광원 유닛을 개략적으로 도시하는데, 이것으로부터 광(16)이 방사되고 모든 어레이 채널에 각각 2개의 조명 자유 형상들을 갖는 어레이들 상에 충돌한다. 여기서 고려되는 실현에서는, 입력 측 제1 자유 형상면들이 광학 기판/엘리먼트의 단부 측에 위치되고, 입력 측 제2 자유 형상면들이 제2 후속 광학 기판/엘리먼트의 입력 측 상에 위치된다. 바람직하게는, 투명 굴절 물질들이 이것을 위해 사용된다. 채널당 2개의 자유 형상들의 표면 패턴들은 한편으로는 실제 또는 가상의 광 객체 분포가 광 굴절에 의해 광학계 내에서 발생되고, 다른 한편으로는 광이 쾰러 조명에 대응하는 각각의 투사 렌즈/광학계 상에 충돌하도록 구현된다.

즉, 제1 및 제2 굴절 광학 자유 형상면들(8, 10)은 실제 광 패턴(13a)에 기초하여 광원(4)과 제2 굴절 광학 자유 형상면(10) 사이의 광 채널(6a-6i)에서 가상 객체 광 패턴(13a')을 생성하도록 구현될 수 있으며, 여기서 가상 객체 광 패턴은 투사될 이미지의 결상이고, 실제 광 패턴은 제1 굴절 광학 자유 형상면 및 제2 굴절 광학 자유 형상면을 통해 방사한 후에 형성된다.

도 2의 삽도들(8i, 10h)은 예시적으로 2개의 표면 프로파일들을 도시한다. 문자들 "IOF"와 연관된 표면 변형들을 인식하는 것이 용이하다. 이러한 표면 변형들은 순수한 굴절 광 재분포를 통해 제한된 해상도의 광학계-내부 광 패턴을 생성한다. 이러한 광 패턴들은 후속 투사 렌즈 어레이(12)에 의한 광학 결상에 의해 타깃(18)으로 전사된다. 어두운 배경 필드 상의 문자들 "IOF"의 밝은 시퀀스가 타깃을 야기할 것이다. 위에서 언급한 블러링 효과 최소화에도 불구하고, 타깃 상의 문자들은 선명한 구조적 에지들을 잠재적으로 포함하지 않을 수 있다. 타깃 상에 훨씬 더 미세한 광 패턴들을 생성하기 위해, 추가로 투과 변조 구조들(20)이 사용된다. 도시된 실시예에서, 제2 광학 기판/엘리먼트 상에 파선들을 갖는 애퍼처 구조들이 사용된다. 배타적 자유 형상 광 재분포로 이러한 미세한 타깃 재분포를 생성하는 것은 지금까지 남은 블러링 효과들로 인해 가능하지 않았다. 그러나 애퍼처 구조는 전력 손실들이 최소화될 수 있도록 자유 형상 광 재분포에 의해 적절한 방식으로 조명될 수 있다. 실시예들에서, 채널당 2개의 조명 자유 형상들은 애퍼처들의 투과 영역들의 영역에서 더 큰 조명 강도를 생성한다. 애퍼처 뒤에 형성되며 페이딩 및 광 재분포 모두에 의해 형성된 실제 광 패턴은 특정 또는 충분한 결상 선명도를 갖는 채널의 각각의 투사 렌즈에 의해 타깃(18)으로 결상된다. 구현 예에서, 문자들 "IOF"의 시퀀스에 대한 가장 선명한 객체 광 패턴의 위치는 슬라이드 평면과 동일하지 않다. 이러한 이유로, 투사 광학계의 객체 평면이 잠재적으로 가장 선명한 "IOF" 객체 광 패턴과 슬라이드 평면 사이에 배치되었다. 문자들의 시퀀스의 증가된 블러링이 여기서 허용된다. 슬라이드의 이미지는 또한 초점이 흐트러진다. 도시된 자유 형상 어레이 프로젝터(2)의 실시예에서, 모든 채널들은 준-균등 개별 광 분포들로 동일한 타깃 영역을 조명하는데, 즉 이것은 최대 소스 광 균질화 정도를 허용한다. 채널 중첩은 예를 들어, 입력 측의 2개의 제1 자유 형상들 내에서의 굴절 광 편향 효과들에 의해 달성될 수 있다. 객체 생성 구조들 및 투사 렌즈들의 종래의 오프셋 및 곡면들 상의 채널 배열(아래 참조)이 또한 여기에 적용될 수 있다. 채널마다 쾰러 조명 원리를 적용하는 것은 명확성의 이유로 도 2에 예시되지 않았지만 다음의 도면들에 예시될 것이다.

도 3은 3개의 굴절 표면들 및 애퍼처 구조(20a)의 효과로 분해된 단일 채널(6a)(여기서는 채널 경사가 없음)의 기능 모드를 예시한다. 시준 소스들로부터 발산하는 광(16a)은 제1 굴절 광학 자유 형상면(8a)에 충돌한다. 여기서 이 자유 형상면은 (광학 기판의 출사 측과 같은) 광학 엘리먼트(22)의 출사 측에 위치한다. 이 자유 형상면은 광 재분포에 의해 공간 강도 패턴 또는 조명 패턴을 생성하는데, 즉 광은 타깃 분포에 대응하는 강도 변조된 광 분포가 결과가 되도록 굴절하여 적절하게 재지향된다. 이상적인 경우(프레넬(Fresnel) 손실들을 무시할 때), 이것은 100%의 효율로 이루어진다. 도 3a에서, 이 광 분포(14a')는 직선 시준 입사광 및 경사진 시준 입사광 모두에 대해 제1 자유 형상면 바로 뒤에 검출되었다(상부의 그레이 스케일 이미지들 참조). 검출기 위치(24)는 제1 자유 형상면 바로 뒤에 두꺼운 선으로 예시되어 있다. 광축에서 본래 이상적으로 시준된 입사광이 이제 자유 형상 뒤에 특정 빔 각도 스펙트럼을 나타내도록 대응하는 빔 방향 변화들에 의해 광 분포가 이루어진다(도 3a의 좌측 참조). 광 재분포와는 별개로, 제1 자유 형상면은 또한, 광축에 대해 기울어진 입사광이 배타적으로 동일한 광 채널의 제2 자유 형상면 상에 충돌하도록 하기 위해 그리고 자유 형상 영역을 야기할 누화가 없도록 추가로 항상 일반적인 광 수렴을 발생시켜야 할 것이다. 그러나 채널에 제공된 투사 렌즈 상에 강도 변조된 또는 투과 변조된 광 분포가 완전히 부딪히는 것이 단일 자유 형상에 의해 보장될 수 없다. 이것은 도 3a의 오른쪽 사진에 예시되어 있다. 그러나 광축에 대해 더 강하게 경사진 시준 입사광은 결국, 프로젝터 렌즈(12a)에 제공된 공간 영역 밖에 부분적으로 위치할 것이다. 투사 렌즈릿의 영역에서의 누화는 결과적으로 매우 제한된 입사각 스펙트럼으로만 회피될 것이다.

정의된 방식으로 투사 렌즈/투사 광학계에 광을 가져오기 위해, 제2 자유 형상면이 필요하다. 실시예들에서, 이 자유 형상면은 (넓은 광학 기판의 입사면과 같은(도 3b 참조)) 제2 광학 엘리먼트(26)의 입력 측에 위치한다. 여기서 유리한 변형은 광원(16a)이 쾰러 조명 원리에 대응하는 수차 방식으로 투사 광학계(12a)의 입력 동공에 결상하는 것이다(도 3b, 도 3c 참조). 제2 자유 형상면은 강도 패턴화된 광 분포의 빔 방향들을 적절한 방식으로 재지향시켜야 한다.

2개의 자유 형상면들(도 3의 실시예에서는 단 하나의 투사 렌즈) 뒤에 이어지는 투사 광학계(12a)의 효과는 2개의 서로 다른 방식들로 해석될 수 있다. 처음 2개의 자유 형상면들은 방사 각도에 추가로 영향을 주는 강도 구조의 광 분포를 생성한다. 2개의 자유 형상면들의 공통 효과는 발산 광 입사에도 불구하고 최소한으로 블러링된 객체 광 패턴을 형성한다. 이 경우, 이것은 제2 자유 형상면에 가까운 가상 객체 패턴이다. 최상의 객체 패턴의 보다 정확한 예시는 도 4 및 도 5에서 확인될 수 있다. 투사 렌즈는 이 가상 객체 광 패턴을 타깃에 결상한다. 제2 설명 방법은 도 3b 및 도 3c에 예시되어 있다. 채널의 광축(또는 광축이 정의되기 어려운 경우에는 중심 축)을 따라 시준된 입력 광에 대해, 타깃 상의 원하는 광 패턴(14a")이 2개의 입력 자유 형상들에 의해 생성된다. 여기서는 어떠한 투사 렌즈(12a)도 요구되지 않는다(도 3b의 좌우 참조). 투사 렌즈가 없는 경사 시준광에 대해, 수차가 있지만 주로 시프트된 타깃 이미지(14"')가 생성될 것이다(도 4c의 오른쪽 참조). 한편으로, 투사 렌즈는 타깃 이미지의 시프트를 방지하는데(도 3b 참조), 즉 패턴화된 조명 분포들을 스미어링하기 위한 주 효과를 감소시키고, 다른 한편으로는 수차들이 감소된다. 또한, 광 분포에서의 블러링 효과들의 완전한 회피를 방지하는 추가 수차들이 있을 수 있다. 도 3d과 도 3e는 입사광의 증가된 각도 발산으로 타깃 광 분포의 증가된 스미어링을 예시한다. 여기서 투사 광학계는 대략 +/-7°의 개구수에 맞게 설계된다. +/-4.5°의 입력 빔 각도 발산(도 3d 참조)에 의해, 투사 렌즈는 아직 완전히 광으로 채워지지 않는데, 즉 에탕듀(etendue)가 여전히 광학계에 의해 상당히 증가된다. 광 분포 패턴의 블러링은 거의 없다(도 3b 및 도 3d의 오른쪽 사진들 참조). 투사 광학계가 없는 경우, 타깃에 거대한 광 분포 블러링이 있을 것이므로(도 3d의 좌측 참조) 이러한 경우들에는 순수한 굴절 효과로 인해 야기되는 보다 미세한 구조 해상도들이 불가능하다. +/-7°(에탕듀 보존)의 달성 가능한 최대 각도 한계에 근접한 대략 +/-6°의 증가된 입사각 발산들로, 수차들에 의해 야기된 현저한 블러링 효과들이 보이다(도 3e). 그럼에도 불구하고, 이러한 패턴 스미어링 효과들은 종래의 단일 또는 2-영역 자유 형상 빔 형성에 대해서보다 크기 순서가 더 작다[Zwick, Feng, Ries, Oliker]. 따라서 2개의 굴절 자유 형상 엘리먼트들과 투사 렌즈의 협력은 블러링 효과들의 막대한 감소를 야기한다. 나머지 구조적 블러링에 대한 주된 원인들의 상세한 논의들이 아래에서 도 4와 도 5를 참조하여 논의될 것이다.

선명한 조명 패턴들을 생성하기 위해, 추가로 (흡수성/반사성 애퍼처들, 그레이 스케일 필터들 등과 같은) 투과 변조 구조들(20a)이 사용될 수 있다(도 3f 참조). 도 3f에서, 투사 광학계는 투사 결상을 위한 이상적인 객체 평면이 처음 2개의 자유 형상면들 사이에 위치하도록 조정되었다. 따라서 도 3f, 왼쪽의 애퍼처 구조들(20a)은 투사 광학계/투사 렌즈의 이상적인 객체 평면 외부에 있으며, 이는 초점 이탈의 결과로서 애퍼처 구조의 퍼지(fuzzy) 결상을 야기한다. 대조적으로 처음 2개의 자유 형상 렌즈들 사이의 애퍼처 구조들은 다소 더 선명한 타깃 평면에 결상된다. 더 많은 애퍼처 구조들이 스퓨리어스 및 미광 최소화의 목적에 맞을 수 있다(도 9, 도 14 - 도 18 참조). 굴절 자유 형상 빔 성형 및 투과 변조 구조들의 협력으로 인해, 타깃 상의 선명한 광 패턴들이 동시에 높은 효율로 달성될 수 있다. 자유 형상 빔 성형은 투과 변조 구조들의 적응된 조명을 생성할 수 있어 이는 단지 적은 광만을 페이드 아웃해야 한다.

가장 쉬운 경우에, 투사 광학계(12)는 충분한 결상 품질로 타깃에 (자유 형상 빔 성형에 의해 또는 애퍼처 구조들에 의해 생성된) 객체 광 분포를 전달하는 구형, 원뿔형 또는 비구면 단일 투사 렌즈를 포함한다. 예를 들어, 필요한 큰 개구수 또는 색 오차들의 결과로서, 결상 품질이 충분하지 않다면, 다중 표면 투사 대물 렌즈가 또한 적용될 수 있다. 복잡한 방식으로 분포되는 "객체 광 패턴들" 및 평범하지 않은 타깃 형상들의 경우, 결상 투사 광학계의 추가 자유 형상면들이 유리하다(도 5e 참조).

도 4는 단일 채널(6a)의 자유 형상 빔 성형에서 유효 가상 객체 패턴 평면의 위치를 개략적으로 예시한다. 상대적으로 강하게 발산하는 광(16a)(도 4 하단의 화살표들 참조, 에탕듀 보존의 결과로서, 고려되는 어레이 프로젝터에 대한 최대 각도 스펙트럼에 거의 대응함)이 광학 엘리먼트에 충돌하고, 입력 측의 처음 2개의 자유 형상면들(8a, 10a)(도 4의 자유 형상면들을 참조, 여기서 빔 형성기/프로젝터 유닛의 나머지 엘리먼트들은 예시되지 않음)에 의해 재분포된다. 파선으로 둘러싸인 평면(15a)의 입력 측 제2 자유 형상면 바로 뒤에 있는 실제 광 분포(13a)를 고려할 때, 인식될 수 있는 것은 상당히 블러링된 거의 식별할 수 없는 광 패턴이다(파선으로 둘러싸인 최상부 평면(15a)의 그레이 스케일 이미지(13a) 참조). 광 스미어링은 강한 빔 각도 발산을 나타낸다. 이 실제 광 패턴으로부터 시작하여, 모든 광 빔들은 이들의 빔 방향에 대응하는 역방향으로 연장되는데, 즉 가상 광 패턴들(13a', 13a")의 피처들이 아래에서 조사될 것이다. (투사 광학계의 설정 또는 형상을 사용하여) 결상을 위해 선택된 광 패턴은 다음에, 객체 광 패턴(13a', 13a")이 될 것이다. 관찰될 수 있는 것은 강한 입력 광 발산에도 불구하고, 이 예에서 입력 측 제1 자유 형상면의 방향으로 객체 위치를 갖는 약하게 블러링된 가상 객체 광 패턴이 있다는 사실이다.

이 가상의 최소로 블러링된 객체 패턴 평면을 타깃에 결상하는 것은 배타적 광 재분포 및 종래의 결상 변환(객체 평면에서 이미지 평면으로의 결상)으로 가능한 가장 선명한 광 패턴들을 야기한다. 최상의 객체 패턴 평면의 위치는 특정 설계에 의해 제어될 수 있다.

도 5는 무한대(원거리장)의 타깃을 갖는 시스템을 사용하는 자유 형상 어레이 프로젝터의 일부 필수적인 특징들을 예시한다. 특징이 되는 수량들의 대략적인 근사치들은 단순화된 모델을 통해 표시되며, 종래의 어레이 프로젝터들[DE 102009024894 A1, DE 102011076083 A1, Sieler]과의 차이들이 도시될 것이다. 자유 형상 어레이 프로젝터(2)에 관해서는, (투과 변조 구조들을 사용하지 않는) 굴절 광 재분포 프로세스들만이 고려될 것이다. 또한, 고려사항들은 적당한 광 재분포 프로세스들에도 또한 해당하는 근축(paraxial) 근사들로 제한될 것이다. 자유 형상 어레이 프로젝터의 이러한 적용 분야는 당연히 이러한 근사들을 넘어서도 또한 발견될 수 있다.

도 5a는 우측 집광기 렌즈(30), 이어지는 슬라이드 구조(32) 및 마지막 투사 렌즈(34)를 갖는 종래 어레이 프로젝터의 단일 채널의 기본 설정을 도시한다. 렌즈릿은 자유 애퍼처(CA)를 포함하고, ~ H_sub(17f)의 두께를 갖는 기판 상에 위치된다. δθ _col 의 광 발산을 갖는 시준된 입력 광이 집광기 렌즈들에 충돌한다. 집광기 렌즈들은 쾰러 조명 원리에 따라 작동하고, 투사 광학계의 입력 동공에 대한 소스 분포를 대략적으로 결상한다. 도 5에 예시된 이러한 특수 사례의 경우, 이는 기판 재료의 우측 집광기 초점 거리(F' _cond )의 규모가 기판 두께(H _sub )와 대략적으로 일치해야 함(F' _cond ~ -H _sub )을 의미한다(관례: [Born-Wolf] 참조). 결과는 시준 광학계에 대한 요건이다. 개별 프로젝터 채널들 간의 누화를 방지하기 위해, 아래의

의 최대 입력 발산 각이 초과되지 않아야 한다:

및

(1)

n _sub 는 기판 굴절률이다. 타깃 상에 미리 결정된 조사 강도 분포들(E(x, y))을 생성하기 위해, 슬라이드 구조들은 대개 집광기 렌즈릿(30) 바로 뒤에 삽입된다. 슬라이드 구조들은 투사 렌즈릿에 의해 타깃 상에 선명하게 결상된다. 여기서 원거리장의 타깃에 대해 고려되는 특수 사례의 경우, 투사 광학계의 좌측 초점 거리는 기판 두께와 대략적으로 일치해야 한다(F _pro ~ H _sub ). 결상할 때 종래의 수차들(

)은 타깃 상의 광 분포의 블러링/이미지 오류들을 야기할 것이다:

(2)

단일 투사 렌즈의 너무 강한 수차들로는, 원칙적으로 다중 렌즈 배열들이 사용될 수 있지만, 이는 훨씬 더 복잡한 광학계를 야기한다.

완전히 개방된, 즉 투과 변조 구조들이 없는 어레이 프로젝터는 기본적으로 일정한 조사 강도(

)(적당한 조사 강도 감소를 무시하면서 적당한 화각(field angle))를 생성할 것이다. 에너지 보존을 근사화하면서 원하는 패턴 조사 강도 분포(E _ideal (x, y))에 대해 존재하는 전력의 완전한 재분포(

)는 다음과 같으며:

(3)

이는 이상적인 경우의 조명에 바람직할 것이다. A _targ는 타깃 표면 또는 영역의 크기이다. 종래의 어레이 프로젝터를 사용하면, 광 전력을 페이딩하는 것에 의해서만 원하는 광 패턴들이 생성될 수 있기 때문에, 이러한 전력 재분포는 달성될 수 없다. 최대 조사 강도는 단지

일 수 있으며, 이는 완전한 광 투과에 해당한다. 따라서 식(3)에서와 동일한 토폴로지를 갖는 종래의 어레이 프로젝터의 조사 강도는

로 주어질 것이다. 결과는 패턴화된 조명에 의한 각각의 최대 전력 효율에 대한 근사치이다:

(4)

매우 좁고 상당히 강한 광 패턴 피처들은 전력 정규화된 조사 강도 분포에서 매우 큰 최대 값들(max(E _ideal ))을 나타내며 매우 작은 가능한 전력 효율들을 야기한다. 이러한 미세하고 상당히 강한 광 패턴들은 예를 들어, 매우 작은 애퍼처 개구들(B)을 갖는 복수의 어레이 채널들에 의해 또는 그레이 스케일 필터들의 보다 크고 보다 강한 흡수 영역들에 의해 달성된다. 그러나 모든 가능한 채널들에 대한 광학계의 최대 수용 각, 즉 필요한 광 시준(

)은 동일하게 유지될 것이고, 즉 식(1)은 원하는 광 패턴 분포에 의존하지 않는다.

여기서 제시될 자유 형상 어레이 프로젝터(2)에서, 각각의 어레이 채널(6a)의 집광기 렌즈릿은 2개의 각각의 자유 형상 구조들로 대체된다(도 5b, 도 5c, 도 5d 참조). 도 5에서, 이러한 자유 형상들은 2개의 기판들의 출력 측 및 입력 측에 위치한다. 쾰러 조명 원리에 따라, 두 자유 형상면들 모두가 투사 광학계의 광학 축을 따라 이상적으로 시준된 입사광을 갖는 광의 수렴 번들을 생성한다(도 5b 참조). 여기서 타깃 상의(또는 애퍼처 평면) 상의 조사 강도 분포는 수렴된 전체 광 번들 내의 전력 재분포에 의해 추가로 가능해진다(도 5c 및 도 5d 참조). 광 재분포들은 빔 각도들을 동시에 고려하면서 대응하는 자유 형상 설계 방법들[Michaelis, Feng, Rubinstein]을 수정함으로써 허용될 수 있다. 수학적으로 더 복잡한 설계 방법들 외에도, 단순화된 모델 고려사항들은 한편으로는 자유 형상 어레이 프로젝터의 기능 모드에 대한 이해를 높이고 다른 한편으로는 특징이 되는 수량들을 추정하는 데 도움이 될 수 있다.

타깃 상에 강한 광 부분 구조를 생성하기 위해, 입사광(16a)은 소정의 입사 범위(도 5c의 I₂(16a") 참조)로부터 작은 출사각(

)으로 압축된다. 대조적으로 더 작은 조사 강도의 영역들은

을 갖는 각각의 출력 광 콘에서 입력 광 서브 번들(도 5d의 I₁(16a') 참조)을 연장함으로써 생성된다. 대개, 이러한 광 재분포 영역들은 극소의 크기를 나타낼 것이다. 단순성의 이유들로, 도 5c 및 도 5d의 두 시나리오들은 광학계 채널의 정확히 중앙 영역에 예시되어 있다. 2개의 자유 형상면들의 효과로 인해, 대응하는 국소 주 평면(

17c, 17d)에 따른 국소 초점 거리들(

17a, 17b)은 각각의 (극소) 재배포 번들과 연관될 수 있다. 이어서, 표현을 단순화하기 위해, 서로 다른 번들 단면 평면들에서 서로 다른 초점 거리들이 발생할 수 있다는 사실은 무시될 것이다. 광 압축, 즉 조명 강도의 증가에 따른 광 재분포 영역들은 더 큰 유효 초점 거리들 및 투사 렌즈에 대한 더 큰 거리를 포함할 것이다(도 5c의

17a 및

17c 참조). 이는 번들 확장, 즉 조명 강도의 감소에 따른 광 재분포 영역들의 경우에 반전된다(도 5d의

17b) 및 ㅍ

17d) 참조). 따라서 두 자유 형상면들 모두의 효과는 서로 다른 강도의 광 서브 번들들의 생성에 대응하고, 그 출력 광 콘들(

19a, 19b)의 번들 방향 및 크기는 서로 다른 국소 주 평면 위치들(17c, 17d)에 의해 결정된다(주목: 단순성의 이유들로, 여기서는 우측 주 평면만이 고려된다). 서로 다른 주 평면들/초점 거리들의 분포는 대략적으로 다음과 같이 추정될 수 있다:

(5)

K(x, y)는 광 재분포의 측정치이다. 평균값(

)과 비교했을 때의 조사 강도의 증가/감소는 K > 1 / K < 1의 값으로 표현된다. 균일한 조명(

)의 경우, 결과는 종래의 어레이 프로젝터와 유사하게 초점 거리(

)이다.

에서는, 도 5b에 따라, 전체 광 번들이 이미 제1 자유 형상(8a)으로부터 시작하는 수렴을 나타내는데, 즉 일반적으로 보다 큰 유효 초점 거리가 시작된다는 것이 고려된다.

는 종래의 굴절 법칙들에 대응하는 광 재분포 없이, 제1 광학 영역 및 제2 광학 영역에서의 광의 굴절로부터 계산된다. 여기서 광학계는

가 기본적으로 기판 두께(H _sub ))(17f)와 제1 굴절 광학 자유 형상면 및 제2 굴절 광학 자유 형상면의 거리(D)(17g)로 이루어지도록 구현되었다. 복수의 근사화들/이상화가 (5)를 추정하기 위해 적용되었으며, 여기서는 무엇보다도, 서로 다른 번들 섹션 평면들(주 섹션들)에서 어떠한 잠재적으로 서로 다른 초점 거리들도 고려되지 않는다.

종래의 어레이 프로젝터와 유사하게(식(1) 참조), 최대 허용 가능한 입력 발산 각들에 대한 추정들은 식(5)에 의해 유도될 수 있다. 자유 형상 재분포에 의해, 서로 다른 강한 광의 영역들이 서로 다른 유효 초점 거리들 및 주 평면 위치들을 갖기 때문에, 경사진 시준 방사(도 5c 및 도 5d 참조)를 갖는 각각의 광 번들들은 투사 광학계에서 다르게 큰 편향들(17g)(

)을 받게 될 것이다. 도 5c는 보다 큰 조명 강도를 갖는 광 서브 번들들이 보다 강하게 편향되는 것을 도시한다. 누화를 일반적으로 피하기 위해, 최대 조명 강도(K _max)를 갖는 광 번들들의 편향들은 자유 애퍼처를 초과하지 않아야 한다. 따라서 광 재분포는 항상 다음 식에 따라 감소된 허용 입사각 발산(

(19c)에 연결될 것이다:

(6)

이는 에탕듀 보존을 나타낸다. 고려되는 작은 각도 근사의 경우, 타깃 상의 광 재분포(K(x, y))의 측정은 또한 자유 형상 렌즈들의 영역에서의 광 재분포에 대략 대응한다(무시할 수 있는 투사, 결상 유도 변화들). 광 재분포는 야코비(Jacobi) 행렬(

)[Oliker, Sulman]에 따라 원래의 횡단 좌표들(x ₁ , y ₁)을 왜곡된 좌표들(x ₂ , y ₂)로 매핑하는 것으로 간주될 수 있다. 위상 공간 볼륨(dx _i dy _i dp _i dq _i = const)[Winston]의 보존으로 인해, 빔 벡터들(p _i , q _i )의 각각의 횡단 컴포넌트들은 다음과 같이 작용할 것이다:

. 위치 좌표들의 위상 공간을 압축하는 것은 또한 빔 벡터 컴포넌트들의 확장과 연결된다. 결과적으로, 에탕듀 보존을 사용하여, 식(6)에서와 같이 아날로그 표현이 얻어진다.

광 재분포에 의해 생성된 서로 다른 전력 밀도 콘텐츠를 갖는 광 번들들은 제1 자유 형상(8a)의 입사면에서 시작한다. 따라서 정확히 제1 자유 형상 상의 각각의 극소 광 번들 간격이 각각의 광 번들에 대한 입력 애퍼처로 간주될 수 있다. 입사광은 서로 다른 입사 방향(δθ _col )으로 이러한 입력 애퍼처에 충돌할 것이다. 각각의 유효 국소 초점 거리(

)를 갖는 이러한 입력 애퍼처를 결상하는 것은 최대 선명도의 국소 광 객체 서브 패턴을 야기하는데, 즉 재배치 간격마다, 모든 빔 각도들을 갖는 광이 유효 광 객체 서브 패턴으로부터 발생하는 것으로 보인다. 도 5에서, 이러한 광 객체 서브 패턴들은 굵은 점들(19)에 의해 특성화되었다. 최소 블러링을 갖는 모든 광 객체 서브 패턴들의 위치는 유효 입력 애퍼처를 결상할 때 각각의 결상 방정식에 의해 추정될 수 있다. 투사 광학계의 입력 동공으로부터 측정된 결과는

의 거리이다. 각각의 광 객체 서브 패턴의 위치는 광 재배치(K)의 측정에 의존한다.

광 재분포에 의해 생성된 가상 객체 패턴은 투사 렌즈에 의해 각각의 타깃(실제 또는 가상)으로 결상되어야 한다. 종래의 결상으로는, 대개 타깃 평면(셸)이 이미지 평면(셸)으로 전달된다. 그러나 최소 블러링을 갖는 최적의 타깃 패턴은 대개 국소적으로 변하는 초점 거리들(식(5) 참조)의 결과로서 세로 방향으로의 연장부를 포함하기 때문에, 근축 근사에서 원거리장 결상에 대해 가능한 최적의 투사 초점 거리(17e)가 적합한 평균값으로 나올 것이다:

(7)

는 각각의 적응된 평균화 프로시저를 특성화한다. 식(7)을 사용하면, 자유 형상 재분포 광학계에 대한 타깃 광 패턴들의 블러링의 주요 부분의 감소가 추정될 수 있다.

시준광 입사에 대해 패턴화된 조명[Ries, Oliker, Michaelis, Rubinstein, Feng, Wu, Luo, Zhao]을 생성하기 위해 개별 또는 종래의 자유 형상 광학계를 사용할 때, 블러링 효과들은 주로 입력 광의 나머지 빔 발산들(δθ _col )에 의해 야기되는데, 즉 타깃 분포 스미어링의 주요 부분은 나머지 입력 빔 발산(

)의 크기의 순서일 것이다. 그러나 이 원래의 블러링 주요 부분은 여기에 제시된 광학계 배열에 인해 크게 감소된다. 도 5c 및 도 5d는 타깃 분포 스미어링의 나머지 부분을 예시한다. 상이하게 강한 가상 객체 부분들이 투사 광학계 초점 거리와 다른 거리에 위치하기 때문에, 입사각 변화에 대해 서로 다른 출사각들이 발생할 것이고: δθ _col (|L _Obj |-F _proj )/F _proj , 즉 프로젝터 광학계 초점 거리에 가까운 가상 객체 패턴 부분들은 타깃 상에 블러링의 강한 감소를 나타낼 것이다:

(8)

또한, 기술된 광학 시스템에서, 예를 들어 경사진 시준광 입사로 제2 자유 형상의 조명을 시프트하는 것에 의해서와 같이, 추가 블러링 효과들이 발생할 수 있다.

종래의 어레이 프로젝터에 대한 그리고 자유 형상 어레이 프로젝터에 대한 대략적인 추정 방정식들이 아래에서 비교될 것이다.

종래의 어레이 프로젝터에서는, 광 페이딩의 결과로서, 많은 적용 경우들에 어떠한 전력 효율들도 발생하지 않지만((Ⅳ) 오른쪽 참조), 광 재분포로 인해 자유 형상 어레이 프로젝터를 사용하여 높은 시스템 투과가 원칙적으로 기대될 수 있다. 배타적 재분포가 있는 특별한 경우들에는, 거의 100%의 시스템 투과가 가능할 것이다((Ⅳ) 왼쪽 참조). 그러나 광 재분포(

)에 의해 생성된 패턴화된 조사 강도는 입사광의 각도 발산의 필요한 제한을 희생한다((Ⅲ) 참조). 결과적으로, 광 재분포에 의해, 입사광은 종래의 어레이 프로젝터를 사용할 때보다 더 잘 시준되어야 한다. 개선된 시준은 결국, 광학계의 더 큰 측면 확장으로만 얻어질 수 있다. 이는 에탕듀 보존에 해당한다. 이는 광속의 증가뿐만 아니라 전력 효율의 증가도 광학계 표면의 증가에 의해 야기될 것임을 의미한다.

종래의 어레이 프로젝터들에서는, 미리 결정된 고정된 객체 위치를 갖는 (슬라이드와 같은) 객체 구조가 투사 렌즈에 의해 타깃에 결상된다. 그러나 광 재분포 패턴의 경우, 서로 다른 조명 강도들은 서로 다른 세로 방향 위치들 또는 객체 위치들로부터 발생하는 것처럼 보이다((Ⅰ) 참조). 이는 (객체 평면(셸)에서 이미지 평면(셸)까지의) 종래의 결상에 의해, 가장 적합한 평균 객체 폭이 적용되어야 함을 의미하다((Ⅱ) 참조). 결과는 종래의 자유 형상 광 재분포[Ries, Oliker, Michaelis, Rubinstein, Feng, Wu, Luo, Zhao]와 비교할 때, 패턴 블러링 효과들을 없애지는 않지만 감소가 얻어진다는 것이다((Ⅴ) 참조).

투사 광학계의 결상 특징들을 적응시킴으로써 패턴 블러링 효과들의 추가 감소가 달성될 수 있다. 유효 객체 광 패턴이 길이 방향에서 중요하지 않은 연장부를 포함하기 때문에(도 5e 참조), 즉 자유 형상면(38) 상에 위치되기 때문에, 타깃 상의 선명한 결상을 달성하기 위해 하나 또는 여러 개의 자유 형상면(12a', 12a")을 갖는 투사 광학계(12a)가 필요하다. 즉, 투사 광학계(12a)는 투사된 이미지에서 (블러링 효과와 같은) 결상 오류 또는 복수의 결상 오류들을 보정하도록 구성된 적어도 하나의 추가 굴절 광학 자유 형상면(12a', 12a")을 포함할 수 있다. 결상 오류들은 예를 들어, 객체 광 패턴이 평면에 위치하는 것이 아니라 자유 형상면(38) 상에 위치하며 이에 따라, (추가 자유 형상면들이 없는) 투사 광학계의 객체 평면에 의해 평균적으로, 최대로 자유 형상면(38)에 또는 객체 광 패턴에 가깝게 배치될 수 있다는 사실에 기인할 수 있다.

새로운 조명 개념의 주요 컴포넌트는 방사 강도 분포(또는 조명 강도 분포)와 빔 방향들 모두가 제어되는 2개의 결합된 굴절 자유 형상면들의 어레이이다. 문헌에서, 일반적인 솔루션 접근 방식은 예를 들어, 변화 문제를 이용하여 적당한 광선 매핑을 결정하고, 이어서 상기 매핑을 사용하여 자유 형상면의 표면들을 계산하는 것이다[Rubinstein, Feng].

자유 형상면들의 데카르트 타원 표현을 기반으로 하고 Oliker에 의해 충분히 알려진 솔루션 접근 방식인 "지지 포물면"에 대한 몇 가지 아이디어들을 적응시키는 비교적 쉬운 방법이 아래에 제시될 것이다. 이 방법에서, 단일 자유 형상은 데카르트 타원 세그먼트들의 개별 세트로 표현되며, 여기서 소스 구조 상에 공통 초점이 있다. 다른 데카르트 타원 초점들은 조명 타깃(투사 표면)에 분포되는데, 즉 이들은 타깃 분포를 이산화하는 데 사용된다. 이런 이유로 모든 표면들 또는 영역 세그먼트들의 초점 파라미터들이 설정된다. 각각의 세그먼트는 여전히 자유 파라미터 ― 소스 포인트와 엘리먼트 사이의 거리의 측정치 또는 엘리먼트 두께의 측정치인 광 경로 길이의 파라미터를 포함한다. 이러한 파라미터들의 변경은 타깃 위치에서의 전력 분포의 변화를 야기한다. 경로 길이 파라미터가 결정된다는 사실 때문에, 단일 자유 형상면을 사용하여 특정 타깃 분포들이 실현될 수 있다. 이러한 광학 경로 길이들의 파라미터들이 Oliker에 의해 제안된 알고리즘을 사용하여 결정될 수 있다[Oliker].

빔 방향들을 추가로 제어하기 위해서는, 제2 자유 형상이 필요하다. 레이저 빔 성형이 이러한 자유 형상 광 재분포의 가장 잘 알려진 예들 중 하나로 간주될 수 있다[Shealy]. 이 경우, 특정한 입력 강도 분포를 갖는, 이상적인 방식으로 시준된 레이저 빔이 2개의 자유 형상면들을 사용하면서 원하는 타깃 강도를 갖는 시준된 출력 빔으로 전달될 수 있다. 광 재분포는 다음과 같이 설명될 수 있다. 제1 자유 형상은 정확히 제2 자유 형상면에서 원하는 출력 강도 패턴을 생성한다. 물론, 광 재분포를 위해서는 빔 방향 변경들이 필요하기 때문에 충돌하는 빔들이 거기에서 시준될 수 없다. 따라서 제2 자유 형상은 적절한 방식으로 굴절에 의해 빔 방향을 변화시킨다. 이러한 설명들은 이제 데카르트 타원 표현 방법과 조합될 것이다. 제2 자유 형상면에서 원하는 강도 분포를 생성하기 위해, 제1 자유 형상면은 관련 초점들이 정확히 제2 자유 형상에 위치하는 타원체들/원뿔들로 분해되어야 한다. 각각의 입력 세그먼트에 의해 수집된 전력을 시준하기 위해, 제2 자유 형상면에 제2 타원체/원뿔 세그먼트가 사용된다. 연관된 초점들은 대응하는 제1 자유 형상에 정확히 배치되어야 한다. 따라서 입사면과 출사면 모두가 불연속 세트의 타원체들/원뿔들(61, 63a)로 분해되며, 여기서 개별 입력 세그먼트는 특정 출력 세그먼트에 연관되고 각각의 초점들은 그 각각의 연관된 대응부들에 위치한다(도 6a 참조). 이중 자유 형상 엘리먼트의 특정 모양은 각각의 세그먼트 쌍의 파장 파라미터들에 의존한다. 이러한 파라미터들은 반복적으로 결정된다. 제2 자유 형상의 모양에 대한 첫 번째 가정으로 시작된다. 그 후, 단일 자유 형상의 경우와 같이, 입력 세그먼트들(61)의 경로 길이 파라미터들이 얻어진다. 각각의 세그먼트 쌍의 전체 경로 길이는 이제 서로 다를 것이다. 이 정보는 출력 세그먼트들(63a)의 경로 길이 파라미터를 변경하는 데 사용될 수 있다. 결과는 제2 출력 자유 형상에 대한 새로운 모양이다. 이 프로시저는 수렴될 때까지 반복될 것이다. 이산화 기본 엘리먼트들의 타입을 변경함으로써, 각도 분포의 서로 다른 상황들이 실현될 수 있다. 입력 표면에서의 타원체 표현이 유지되고 출력면 상의 타원체가 종래의 데카르트 타원들(63b)로 대체된다면, 결과는 수렴 빔 번들을 갖는 방사 강도 분포(또는 조명 강도 분포)가 될 것이다(도 6b 참조). 빔 방향들의 중요하지 않은 분포들은 일반화된 타원들(63c)을 사용하여 얻어질 수 있다(도 6c 참조). 충분히 많은 수의 이산화 엘리먼트들을 사용하여 매끄러운 자유 형상면들이 생성된다.

즉, 제1 굴절 광학 자유 형상면(8)은 공간 광 재분포 및/또는 광원에 의해 방사된 광 빔들의 빔 각도들의 제어를 수행하도록 구현될 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 제2 굴절 광학 자유 형상면은 쾰러 조명에 따라 수렴 방식으로 투사 광학계(12)에 광 빔들을 안내하도록 구성될 수 있으며, 제1 굴절 광학 자유 형상면과 제2 굴절 광학 자유 형상면은 서로 영향을 미친다.

도 7은 도 2에 따른, 그러나 (흡수성 애퍼처들 등과 같은) 투과 변조 구조들은 없는 자유 형상 어레이 프로젝터(2)의 개략적인 부분을 도시한다. 이러한 광학계는 또한 벌집형 집광기[WAKO]의 일반화로 간주될 수 있는데, 여기서 집광기 어레이 표면은 2개의 자유 형상 어레이 표면들로 대체되었다. 타깃 광 패턴의 생성은 채널 내에서 패턴화된, 대개는 가상 광 분포를 생성하기 위한 굴절 자유 형상 광 재분포 및 투사 렌즈에 의한 타깃으로의 결상에 의해서만 이루어진다. 이러한 배열의 이점은 이상적인 경우에는 완전 반사 표면들에 대해 100% 투과가 얻어질 수 있다는 것이다. 추가로, 광학계는 에탕듀 보존에 가깝게 작동한다. 그러나 고해상도의 투사 광학계를 사용하는 경우에도, 굴절하여 생성된 광 분포가 수차들을 포함하기 때문에, 타깃 상의 매우 선명한 광 분포들이 생성될 수 없다. 이러한 수차로 인한 블러링은 대개 증가하는 입사각 발산에 따라, 즉 잠재적으로 대략 가능한 에탕듀 보존을 근사화할 때 증가한다(도 3d 및 도 3e 참조). 또한, 이러한 배열들로 인해, (예를 들어, 제조로 인한 형상 편차들에 의해 야기된) 개별 채널들 사이의 전환들에서 미광이 또한 형성될 수 있다. 따라서 이러한 자유 형상 어레이 프로젝터들 또는 자유 형상 벌집형 집광기들은 다소 매끄러운 타깃 이미지들을 갖는 애플리케이션들에 그리고 특정 미광 공차의 경우에 사용된다.

도 8은 도 5의 자유 형상 어레이 프로젝터의 혼합 및 균질화 효과(소스 광 균질화/색 혼합 등)를 개략적으로 예시한다. 소스 광(16)은 하나 또는 여러 개의 균질한 또는 구조화된 단색, 다색 또는 백색 방사 광원들로부터 발생할 수 있다. 매우 빈번하게, 소스들은 공간적으로 강하게 패턴화되지만, 각도 공간에서 다소 연속적인 광 분포를 나타낸다. 이러한 이유로, 조명에 대한 쾰러 원리가 바람직하게 이용되며, 여기서 소스 각도 분포들이 공간 타깃 위치들로 전달된다. 도 8의 두꺼운 연속적인 화살표들(40)은 예시적으로 이 기능 모드를 예시한다. 유사하게, 쾰러 조명 원리는 도 3에서 쉽게 볼 수 있다. 어레이 특징으로 인해, 고려된 전체 소스 각도 발산은 타깃 표면 상에 중첩되는 복수의 서브 간격들로 추가로 분할된다(도 8의 파선 화살표들(42) 참조). 이것은 추가 광 혼합의 달성을 가능하게 한다. 자유 형상 어레이 프로젝터의 경우, 이 배열은 추가 의미를 갖는다. 충분히 양호한 굴절 광 재분포를 생성하기 위해서는, 입력 광 분포가 잘 알려져 있어야 한다. 작은 각도 간격들의 경우, 이 분포는 준-균일성으로 간주될 수 있다.

매우 높은 공간 주파수들 그리고 또한 높은 광학 시스템 투과율을 갖는 두 타깃 패턴들 모두를 얻기 위해, 굴절 자유 형상 빔 형성 및 흡수/반사 광 페이딩이 결합될 수 있다. 도 9는 이러한 광학 엘리먼트의 기능 모드를 예시한다. 여기서 성형된 굴절 자유 형상 빔 성형은 애퍼처 구조를 통해 광의 대부분을 전파하고 추가로 (예를 들어, 쾰러 조명 원리에 따라) 투사 렌즈로 광을 전달하는 데 사용된다. 따라서 두 조명 자유 형상들 모두가 애퍼처들에 적응된 실제 공간 광 패턴을 생성하고, 동시에 쾰러 조명 원리를 보장하기 위해 빔 각도들을 제어한다. 도 9의 좌측 삽도(27)의 두꺼운 화살표들(16)은 광 빔들이 바람직하게는 애퍼처 구조들을 통해 안내되는 것을 예시한다. 애퍼처 구조는 투사 광학계의 이상적인 객체 평면/객체 공간에 위치되고, 결과적으로 타깃에 선명하게 결상될 것이며, 즉 도 7과는 대조적으로, 매우 선명한 구조적 에지들을 갖는 문자들의 시퀀스가 형성될 것이다. 즉, 투과 변조 구조(20)는 투과 변조 구조(20)의 광 투과 영역(29a)에서의 증가된 조사 강도에 기초하여 객체 광 패턴을 형성할 수 있다. 따라서 투과 변조 구조들과 자유 형상 광 재분포들의 협력이 객체 광 패턴을 형성할 수 있다. 또한, 투사 광학계(12)는 투사 광학계의 이미지 면에서 객체 광 패턴의 조명을 얻기 위해 투과 변조 구조로부터 객체 광 패턴을 결상할 수 있다.

도 10은 도 2와 비교할 때, 순수한 굴절 효과들에 의해 역광 패턴들이 생성될 수 있음을 보여준다. 여기서, 굴절 자유 형상 빔 성형 및 후속 투사에 의해 밝은 배경에 어두운 시퀀스의 문자들이 생성되었다. 삽도들(8i, 8i', 10h, 10h')의 오목부들 및 돌출부들이 여기서 교환된다.

스퓨리어스 에지들, 데드 존들 등과 같은, 개별 어레이 채널들 사이의 제조 과정에 기인한 이상적이지 않은 전환 영역들은 미광 및 산란 광을 야기할 수 있다. 또한, 불충분 한 광 시준이 어레이 광학계의 허용 각도 영역 외부의 미광 및 산란 광에 또한 연결되어, 개별 광학계 채널들 사이의 누화 및 결과적으로 타깃 조명에 가까운 고스트 이미지들을 야기할 수 있다. 이러한 스퓨리어스 효과들을 최소화하기 위해, 추가 흡수성/반사성 구조들이 도입될 수 있다. 개개의 채널들 사이의 애퍼처 층들 및 절연 애퍼처 벽들이 있을 수 있다. 도 11은 특히 간단한 애퍼처 배열들을 예시적으로 도시한다. 제1 자유 형상 어레이 앞에 있는 애퍼처들(44)은 개별 채널들 사이의 비-이상적 전환 영역들을 커버하기 위해 사용될 수 있다. 특히, 이러한 애퍼처들은 이상적인 광학계 표면의 비연속적 또는 비연속적으로 차별화 가능한 전환들에 매우 유용하다. 2개의 자유 형상 어레이들 사이 또는 제2 자유 형상 어레이들 바로 뒤에 있는 애퍼처들(46, 48)에도 유사한 것들이 적용된다. 그러나 이러한 애퍼처들은 또한 투사 결상 광학계의 객체 평면이 애퍼처들에 근접할 때 이중 기능을 나타낼 수 있다. 이 경우, 미광 최소화와 선명한 타깃 패턴 디테일들 모두가 동일한 애퍼처 구조에 의해 영향을 받을 수 있다. 반대로, 투사 어레이와 제2 자유 형상 어레이 사이의 애퍼처들은 오히려 채널 누화를 최소화하기 위해 작용할 수 있다. 즉, 투사 디바이스는 미광 및/또는 산란 광을 억제하는 적어도 하나의 추가 투과 변조 구조(44, 46, 48)를 포함할 수 있다.

모든 채널들의 모든 광 분포들을 서로 중첩시키는 것은 타깃 광 분포를 야기한다. 선택적으로, 모든 채널들이 동일한 타깃 광 분포를 생성할 수 있으며(도 2, 도 8 - 도 11 및 도 12, 좌측 참조) 따라서 최대 균질화 정도를 가능하게 할 수 있다. 그러나 서로 다른 채널 타입들이 또한 서로 다른 타깃 조명들(50a, 50b)(도 12, 우측 참조)을 야기할 수 있으며, 타깃 상의 모든 광 분포들을 중첩하는 것만이 최종 분포의 원하는 모양을 생성할 것이다. 이것은 타깃을 완전히 조명하는 데 매우 높은 방사 각도들이 요구되는 경우에 특히 유용하다. 더 작은 개구수를 갖는 서로 다른 채널 타입들이 타깃의 서로 다른 영역을 커버할 수 있다. 서로 다른 광학계 영역들은 토폴로지상 서로 다른 투과 변조 구조들 및 조명 자유 형상들을 포함할 것이다. 예를 들어, 가상 객체 광 패턴들의 질적으로 서로 다른 위치들 또는 크게 서로 다른 결상 방향들을 고려하기 위해, 투사 유닛의 영역 의존적이고 질적으로 서로 다른 결상 광학계가 또한 발생할 수 있다. 숙련된 채널 중첩을 통해, 개별 채널들에 대한, 특히 조명 자유 형상들에 대한 요건들이 완화될 수 있다.

도 13은 일 실시예들에 따라 광원(4)과 제1 굴절 광학 자유 형상면 사이의 추가 광학 구조들 및 투사 광학계 뒤의 추가 광학 구조들을 포함하는 투사 디바이스(2)의 개략도를 도시한다. 광원(4)과 제1 굴절 광학 자유 형상면(8) 사이의 그리고/또는 투사 광학계(12) 뒤의, 적어도 2개의 채널들로 구성된 광 채널들의 어레이는 광 재분포에 의해 두드러지게 광 채널들의 주요 빔 각도 분포를 설정하도록 구성된 공통 굴절 광학 구조(52, 54)를 포함한다. 두드러진 광 분포에서, 주요 빔 각도 분포의 적어도 50%, 적어도 65% 또는 적어도 80% 내지 100%가 광 재분포에 의해 달성되고, 나머지 부분은 예시적으로 페이딩에 의해 얻어진다. 필요한 타깃 분포에 개별 채널들의 주요 방사 방향들을 개별적으로 적응시키기 위해, 적어도 일부 채널에 대해 동일한 효과를 갖는 추가 광학 표면/자유 형상면들(52, 54)이 자유 형상면 프로젝터의 업스트림 및/또는 다운스트림에 배치될 수 있다. 이들은 매끄러운 광학계 또는 프레넬 구조들일 수 있다. 광 분포에 의해 두드러지게 그리고 손실이 있는 광 페이딩에 의해 제한된 정도까지만 타깃 분포가 달성되도록 추가 광학계들이 구성되어야 한다. 여기서는 대개 자유 형상 광학계들이 필요하다. 추가 광학계의 자유 형상 특징은 간단한 예를 사용하여 설명될 것이다. 단순성의 이유들로, 자유 형상 어레이 프로젝터 다운스트림의 광학계가 고려될 것이다. 위에서 언급한 것과 유사하게, (x, y)는 z 방향으로 법선을 가진 평탄한 타깃의 횡단 좌표들이다. 타깃 전력 분포

가 달성되어야 한다.

위치들에 개별 프로젝터들을 갖는 자유 형상 어레이 프로젝터의 경우, 단순성의 이유들로, 횡 방사 방향 코사인들(

,

)을 갖는 주요 빔들만이 고려될 것이다. 추가로, 프로젝터 좌표들은 연속 변수들로 이해되어야 한다. 프로젝터들은 대략적인 방식으로 전력 밀도

로 설명될 수 있다. 추가 광학계가 다음 타입의 변환을 생성한다고 가정된다:

또는

. 타깃 전력 밀도는 다음과 같이 표현될 수 있다:

(9)

흔히 사용되는 것처럼, 자유 형상은 야코비안

에 대응하는 필수 매핑으로 설명된다.

도 14 - 도 18이 아래에서 설명될 것이다. 도 14는 프리즘 굴절 광학 자유 형상면들(8, 10) 및 제2 굴절 광학 자유 형상면들(10)과 투사 광학계(20) 사이의 평면 내의 투과 변조 구조(20)를 갖는 투사 디바이스(2)를 도시한다. 도 15는 도 14의 투사 디바이스를 도시하며, 여기서 애퍼처 구조(20)는 제1 굴절 광학 자유 형상면(8)과 제2 굴절 광학 자유 형상면(10) 사이의 평면에 배열된다. 도 16은 투사 디바이스(2)를 도시하며, 여기서는 제1 및 제2 굴절 광학 자유 형상면들(8, 10)인 광학 구조들, 애퍼처(20) 및 광 채널들의 어레이의 투사 광학계(12)가 경사면 상에 배열되고, 투사 디바이스의 경사면은 단차들을 포함한다. 도 17은 도 16의 투사 디바이스(2)를 도시하며, 여기서 투사 광학계의 경사면은 연속적인 구조를 포함하고 단차들을 포함하지 않는다. 도 18은 도 17의 투사 디바이스를 도시하며, 여기서는 광원(4)이 또한 경사면 상에 배열된다.

도 12에서, 덜 밝은 직사각형 배경 상의 밝은 삼각형이 타깃 상에 생성된다. 2개의 입력 측 자유 형상들은 적어도 대략적으로, 왜곡된 직사각형 에지 모양(직사각형 입력 분포에서 직사각형 출력 분포로 매핑)을 포함한다. 그러나 배경 조명이 없는 삼각형 분포가 직사각형 렌즈릿 배열을 갖는 순수한 자유 형상 빔 성형에 의해 타깃 상에서 분투하게 된다면, 대응하는 자유 형상 에지들이 소스 및 타깃 분포의 토폴로지를 반영할 것이다. 이 경우, 이는 왜곡된 준-직사각형 입력 자유 형상들의 광이 왜곡된 삼각형 자유 형상들로 전달된다는 것을 의미한다(도 14 참조). 그러나 토폴로지상 서로 다른 형태의 입력 및 출력 분배와는 별개로, 전력 분포들에서 강한 비대칭성이 발생할 것이다. 입력 광에는, 어레이 채널별 균질한 분포가 가정될 수 있는 반면, 각각의 어레이 채널에서의 광은 출력 분포의 삼각형 형태 때문에 강하게 비대칭으로 분포되어야 한다. 이것은 자유 형상들(8; 10)의 뚜렷한 블레이즈 특징(프리즘 모양)에 의해 이루어진다. 입력 측의 제1 자유 형상은 삼각형 베이스 영역 방향으로 많은 광을 가져가야 하는 반면, 입력 측의 제2 자유 형상은 빔 각도 보정을 위해 빔들의 부분적인 타일링을 다시 야기한다. 그러나 자유 형상들의 이러한 블레이즈 특징은 서로 다른 채널들 사이의 전환에서 광학계 표면의 강한 불연속성들을 야기한다. 이러한 블레이즈 백 에지들은 한편으로는 미광을 야기할 것이고, 다른 한편으로는 구조를 제조할 때 어려움들을 야기할 것이다. 애퍼처 구조들(20)을 도입함으로써 미광 최소화가 다시 가능해질 수 있다(도 14 참조). 여기서, 대부분의 다른 애퍼처 위치들과 모양들에 대해 미광 분석들이 수행되어야 한다(도 14 및 도 15 참조).

일반적으로, 전력 재분포의 임의의 비대칭성은 평범한 평탄한 어레이 채널 배열이 유지되는 경우에 잠재적으로 더 강한 구조적 불연속성을 야기할 것이다(도 2 내지 도 15 참조). 적응된 채널 배열에 의해 뚜렷한 최소화 그리고 부분적으로는 심지어 불연속성들의 제거가 달성될 수 있다. 이러한 변형을 구현하는 쉬운 방법은 경사면들의 채널 배열이다(도 16 및 도 17 참조). 매우 빈번하게, 자유 형상 어레이 프로젝터의 유효 초점 거리들(도 5 참조)(마이크로-광학계) 및 횡단 확장들은 광학계-타깃 거리보다 몇 배 더 작다. 이 경우, 타깃 패턴은 채널-타깃 거리의 작은 변화들이 중요한 역할을 하지 않는 원거리장 분포인 것으로 이해될 수 있다. 전력 분포 비대칭성들은 모든 채널들 전환들에서 유사한 불연속 관계들을 야기한다. 유사한 평균 불연속 높이 차이들(여기서는 2차원)만큼의 채널들의 세로 방향 시프트들을 통해, 그 결과는 불연속성들이 크게 감소된 경사면들 상의 어레이들이 된다(도 16 및 도 17 참조). 유한하지만, 너무 작지 않은 광학계-타깃 거리들에도 아날로그 전략이 물론 대략적으로 적용될 수 있다. 예를 들어, 시준되고 기울어진 소스 유닛들(4)(주 광학계를 가진 소스, 도 18 참조)에 의해 또는 도 13에 대응하는 추가 변환 광학계에 의해 적응된 입력 분포를 제공하는 것이 여기서 유리할 수 있다. 즉, 적어도 하나의 광학 구조는 투사 광학계의 이미지 평면에서 비대칭적인 광 분포를 생성하도록 구성될 수 있으며, 광학 구조는 이웃하는 광 채널들(6)의 상호 인접한 광학 구조들 사이의 불연속성들을 감소시키기 위해 경사면 상에 배열되고, 투사 광학계(12)는 비대칭 광 분포에 기초하여 이미지들을 투사하도록 구성된다. 광학 구조는 제1 또는 제2 또는 추가 굴절 광학 자유 형상면, 투과 변조 구조 또는 심지어 광원 일 수 있다.

유한 광학계-타깃 거리들 또는 (도 12와 유사하게 광학계를 중첩시키기 위한) 개별 채널들의 사소하지 않은 주요 빔 경사 분포에서, 불연속 채널 전환들을 최소화하기 위해 채널마다 변하는 세로 방향 채널 시프트들이 필요할 것이다. 결과적으로, 개별 채널들은 만곡된 포락선 표면들(65a, 65b, 65c) 상에 배열될 것이다(도 19 참조). 이것은 어레이 포락선, 즉 광학계 개략적 구조가 굴절에 의해 채널들의 주요 빔들을 체크할 것임을 의미한다(예를 들어, 도 19의 화살표들 참조). 반면, 개별 채널들의 조사 강도 분포들은 채널 미세 구조들 및 투과 변조 유닛들에 의해 생성된다. 따라서 곡면들 상의 채널 배열에 의해, 도 13에 대응하는 추가 광학계의 기능은 한편으로는 자유 형상 어레이 프로젝터 자체에 의해 수행될 수 있고, 다른 한편으로는 채널들 사이의 불연속성들/데드 존들이 동시에 최소화된다. 채널 에지들이 이웃하는 채널들의 섹션 곡선들에 의해 결정된다면, 불연속성들/데드 존들을 완전히 피할 수 있다. 광학계 형태는 ([Michaelis]와 유사하게) 개별 채널 구조들의 극한들을 형성함으로써 생성된다. 즉, 상호 인접한 광 채널들의 투사 광학계 및/또는 제1 및/또는 제2 굴절 광학 자유 형상면이 공통의 만곡된 포락선(65a, 65b, 65c) 상에 배열될 수 있으며, 여기서는 이미지들을 중첩할 때 투사 아티팩트들 및/또는 어레이 채널들 사이의 광학적 비활성 영역들 및/또는 불연속성들을 완전히 피하거나 적어도 상당히 감소시키기 위해 상호 인접한 광 채널들의 주요 방사 각도들(67a, 67b, 67c)이 적응된다. 또한, 포락선은 추가(굴절) 광학계로서 기능할 수 있거나 동일한 효과를 갖는 광학 자유 형상면들(52, 54)의 기능을 취할 수 있다(도 13 참조). 따라서 광학적 활성 자유 형상면들이 없더라도, 타깃 분포는 주로 광 재분포에 의해 그리고 손실이 있는 광 페이딩에 의해 제한된 정도까지만 달성될 수 있다. 데드 존들은 예를 들어, 이웃하는 광 채널들 사이의 전환 영역에서 또는 광 채널들의 에지 영역들에서 특히 발생할 수 있는 광학적 비활성 구역들일 수 있다. 따라서 투사 아티팩트들을 감소시키기 위해, 채널들 사이에서 많은 광을 페이드 아웃시키는 데드 존들 또는 광학적 비활성 영역들이 생성되지 않는다. 투사 디바이스의 광 투과가 최대화된다.

대부분의 서로 다른 타입들의 타일링 또는 테셀레이션이 채널 배열에 적용될 수 있다. 도 1 내지 도 18에서는, 간략화의 이유들로, 직사각형 배열 방식들이 적용되었다. 도 20은 광 채널들의 어레이에서 광 채널들의 6개의 예시적인 배열들을 예시적으로 도시하며, 여기서는 예시적으로, 6개의 서로 다른 타입들의 타일링이 도시된다. 타일링 타입에는 서로 다른 선택 기준들이 있다. 완전한 타일링(즉, 적은 데드 존들, 작은 미사용 영역들, 작은 페이딩)이 달성되어야 하며, 여기서는 광학 효과가 가능한 한 간단하게 구현되어야 한다. 후자는 바람직하게는 약간의 자유 형상 재분포 프로세스들이 이루어져야 한다는 것을 의미한다. 한편으로, 이는 더 완만한 광학 표면들을 야기한다. 다른 한편으로는, 에탕듀 보존(도 5 참조)에 따라 빔 각도 스펙트럼은 영향을 덜 받는다. 효율성의 이유들로, 광학적 활성 영역들을 가진 입력 측 자유 형상 어레이들의 완전한 타일링이 바람직하다. (채널별) 입력 측 제2 자유 형상면들의 에지 모양들은, 효율이 최대화되어야 하는 경우에, 채널이 제공하는 타깃 조명 기하학적 구조에 의해 대략적으로 결정된다. 가능한 한 쉽게 광 재분포를 구현하기 위해, 입력 측 제1 및 제2 자유 형상면들의 에지들/크기들의 유사성이 유리할 것이다. 이것으로부터 적절한 타입의 타일링이 결정될 수 있다. 투사 렌즈들/광학계들에 적합한 타일링 방식들도 역시 고려되어야 한다. 한편으로, 입력 동공의 조명은 소스 모양(쾰러 조명)에 의해 결정된다. 다른 한편으로는, 제조 양상들도 역시 고려되어야 한다. 예를 들어, 고품질의 결상 마이크로 렌즈들을 생성하기 위해서는, 리플로우 방법 및 UV 성형이 실용적일 수 있다. 이 경우, 라운드 렌즈 에지들만이 일반적으로 존재할 것이며, 이는 예를 들어, 육각형 타일링을 실용적인 것으로 만드는 것처럼 보인다. 즉, 광 채널들은 육각형, 직사각형, 스트립형의 왜곡된 규칙적, 불규칙적 또는 확률적 타일링을 포함할 수 있다.

대조적으로, 더 큰 일관성의 광원들에서는, 주기적 배열이 그리드 효과들에 방해가 될 수 있다. 그러한 경우들에는 오히려 확률적 배열들이 실용적일 것이다.

자유 형상 어레이 프로젝터들은 색수차들을 나타낼 수 있다. 서로 다른 광학 재료들이 사용되는 색채 오류들에 대한 종래의 수차 보정들이 가능하지만, 훨씬 더 복잡한 광학계를 야기할 것이다. 여기서의 해결책은 개별 채널들이 제한된 파장 스펙트럼만을 제공하고 파장에 대해 직접 보정되는 것이다. 이것은 서로 다른 색 소스들(60)에 의해서만 서로 다른 채널 그룹들을 조명함으로써 달성될 수 있다. 다른 방법은 색상 필터들을 광학계 채널들로 통합하는 것이다(도 21 참조). 즉, 광 채널들의 어레이의 2개의 채널들 또는 채널들의 2개의 그룹들은 서로 다른 파장 영역들을 처리하도록 구성될 수 있으며, 여기서 제1 채널 또는 제1 그룹의 채널들은 제1 파장 범위의 결상 오류들을 감소시키고, 제2 채널은 제2 그룹의 채널들을 사용하여 제2 파장 범위에서 결상 오류들을 감소시킨다. 제1 파장 범위의 광을 제1 채널 또는 제1 그룹의 채널들로 안내하고 제2 파장 범위의 광을 제2 채널 또는 제2 그룹의 채널들로 안내하기 위해, 투사 디바이스는 복수의 색상 필터들 또는 서로 다른 파장 범위들의 복수의 광원들을 포함할 수 있다.

도 22는 적어도 하나의 광원 및 광 채널들의 어레이를 갖는 투사 디바이스를 사용하여 투사하기 위한 방법(2100)의 개략적인 흐름도를 도시한다. 이 방법은 광원과 투사 광학계 사이에 제1 굴절 광학 자유 형상면 및 제2 굴절 광학 자유 형상면을 배열하는 단계(2105), 제1 굴절 광학 자유 형상면 및 제2 굴절 광학 자유 형상면을 사용하여, 객체 광 패턴에 의해 투사 광학계의 쾰러 조명을 발생시켜, 투사 광학계의 이미지 면에 이미지가 투사되게 하는 단계(2110), 및 광 채널들의 어레이의 이미지들을 서로 중첩시키는 단계(2115)를 포함한다.

본 발명의 추가 실시예들은 다음 예들에 관련된다:

(1) 적어도 하나의 광원, 및 이웃하는 광 채널들로 구성된 선택적인 주 광학계를 갖는 빔 성형기 또는 투사 유닛,

- 여기서 각각의 채널은 적어도 2개의 굴절 광학 자유 형상면들과 투사 렌즈/광학계 및 하나의 또는 여러 개의 변조 구조들을 포함하고

- 입력 측에 배열된 광학 자유 형상면들은, 한편으로는 공간적 실제 및/또는 가상 광 패턴들이 형성되고 다른 한편으로는 다운스트림 투사 렌즈/광학계의 쾰러 조명이 허용되도록 공간 광 재분포와 빔 각도 제어 모두를 야기하고

- 투사 렌즈/광학계는 자유 형상 광 재분포에 의해 그리고 강도 변조 유닛들에 의해 생성된 광 패턴을 원하는 방식으로 하나 또는 여러 개의 실제 또는 가상 타깃들로 가져오며

- 하나 또는 여러 개의 실제 그리고/또는 가상 타깃들에 모든 채널들의 개별적인 광 분포들을 중첩시키는 것은 원하는 전체 광 분포를 야기한다.

(2) 강도 유닛들이 없는, 예 1에 따른 빔 형성기 또는 투사 유닛, 여기서는 각각의 채널에서, 2개의 입력 측 광학 자유 형상면들이 공간 재분포 및 소스 광 분포로부터의 영향을 주는 빔 각도에 의해 최소 블러링 효과들을 갖는 채널별 원하는 가상 객체 광 패턴을 생성하며, 다운스트림 투사 렌즈들/광학계들이 이러한 가상 객체 광 패턴들을 가능한 한 최선의 방법으로 하나 또는 여러 개의 실제 및/또는 가상 타깃들에 결상한다.

(3) 앞선 예들 중 임의의 예에 따른 빔 형성기 또는 투사 유닛, 여기서 투사 광학계는 2개의 입력 측 자유 형상면들로 인해 형성된 복잡한 가상 객체 패턴들의 수차들을 최소화하기 위해 하나 또는 여러 개의 자유 형상면들을 포함한다.

(4) 예 1에 따른 빔 형성기 또는 투사 유닛, 여기서는 각각의 채널에서, 2개의 입력 측 광학 자유 형상면들이 공간 재분포 및 적은 손실과 함께 영향을 주는 빔 각도에 의해 강도 변조 유닛들을 통해 소스 광을 안내하고, 다운스트림 투사 렌즈들/광학계들이 형성된 광 패턴들을 가능한 한 최선의 방법으로 하나 또는 여러 개의 실제 및/또는 가상 타깃들에 결상한다.

(5) 앞선 예들 중 임의의 예에 따른 빔 형성기 또는 투사 유닛, 여기서는 거의 모든 광 채널들이 거의 동일한 타깃 광 분포들을 생성하고, 따라서 최대 균질화 정도 또는 잠재적 색 혼합을 발생시킨다.

(6) 앞선 예들 중 임의의 예에 따른 빔 형성기 또는 투사 유닛, 여기서는 모든 광 채널들 또는 광 채널들의 그룹들이 잠재적으로 서로 다른 타깃 위치들에서 서로 다른 타깃 광 분포들을 생성하고, 모든 광 채널들을 중첩시킴으로써 타깃 상의 전체 광 분포가 형성된다.

(7) 모든/일부 채널들에 공통인 다운스트림 및/또는 업스트림의 추가 광학면들/자유 형상면들을 갖는, 앞선 예들 중 임의의 예에 따른 빔 형성기 또는 투사 유닛, 이는 원하는 타깃 분포가 주로 광 재분포에 의해 그리고 광 흡수에 의해서는 제한된 정도까지만 달성되도록 요구되는 소스 및 타깃 분포에 개별 채널들의 주요 빔 각도 분포를 적응시킨다.

(8) 광학계의 수광각 영역 밖의 입사광에 의해 야기되는, 개별 채널들 사이의 이상적이지 않은 구조 전환들 또는 러프니스(roughness)/구조적 형태 편차들과 같은 제조에 기인한 아티팩트들의 결과로서, 채널 배열 및 광학 형태(데드 존, 스퓨리어스 에지들, 채널 전환 영역 등)로 인해, 잠재적인 광학적 비활성 영역들에 의해 야기된 미광 및 산란 광을 억제 및 최소화하기 위해, 애퍼처 층들과 같은 서로 다른 추가 강도 변조 구조들을 갖는, 앞선 예들 중 임의의 예에 따른 빔 형성기 또는 투사 유닛.

(9) 앞선 예들 중 임의의 예에 따른 빔 형성기 또는 투사 유닛, 여기서는 모든 채널들의 모든 광학 구조들, 즉 조명 자유 형상면들, 투사 렌즈들/광학계들 및 강도 변조 구조들이 평면 기판들 상에 위치되거나 평면들에 배열된다.

(10) 앞선 예들 중 임의의 예에 따른 빔 형성기 또는 투사 유닛, 여기서 광학 구조들 중 적어도 일부는 경사면들 상에 배열되고, 이웃하는 채널들의 광학계 구조들 사이의 불연속성들/급경사 전환들이 비대칭 광 분포들로 최소화될 수 있다.

(11) 앞선 예들 중 임의의 예에 따른 빔 형성기 또는 투사 유닛, 여기서 광학 구조들 중 적어도 일부는 곡면 자유 형상면들 상에 배열되고, 개별 채널들의 주요 방사 각도들은 이것에 의해 적응될 수 있고, 동시에 광학계 채널들 사이의 불연속성들/가파른 전환들/데드 존들/광학적 비활성 영역들이 감소되거나 방지될 수 있다.

(12) 앞선 예들 중 임의의 예에 따른 빔 형성기 또는 투사 유닛, 여기서는 육각형, 직사각형, 스트립형 배열들과 같은 광 채널들의 서로 다른 배열 또는 타일링 토폴로지들이 존재할 수 있지만, 심지어 왜곡된 규칙적 및 불규칙적 배열에서부터 확률적 타일링까지 적용될 수 있다.

(13) 앞선 예들 중 임의의 예에 따른 빔 형성기 또는 투사 유닛, 여기서는 채널들 내의 서로 다른 추가 색상 필터들로 인해 또는 서로 다른 연관된 색 소스 유닛들의 결과로서 서로 다른 광 채널들/채널 영역들이 제한된 파장 스펙트럼만을 제공하며, 이에 따라 채널별 광학계 구조 적응에 의한 색수차들의 채널별 보정이 보장될 수 있다.

일부 양상들은 디바이스와 관련하여 설명되었지만, 디바이스의 블록 또는 엘리먼트가 또한 대응하는 방법 단계 또는 방법 단계의 특징이 되는 것으로 이해되도록, 이러한 양상들은 또한 대응하는 방법의 설명을 나타낸다고 이해되어야 한다. 비슷하게, 방법 단계와 관련하여 또는 방법 단계로서 설명된 양상들은 또한 대응하는 디바이스의 대응하는 블록 또는 세부사항 또는 특징의 설명을 나타낸다.

앞서 설명한 실시예들은 단지 본 발명의 원리들에 대한 예시를 나타낼 뿐이다. 본 명세서에서 설명한 배열들 및 세부사항들의 수정들 및 변형들이 다른 당업자들에게 명백할 것이라고 이해되어야 한다. 따라서 본 발명은 실시예들의 설명 및 논의를 이용하여 여기에 제시된 특정 세부사항들로가 아닌, 단지 다음의 청구항들의 보호 범위로만 한정되는 것으로 의도된다.

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Claims (19)

1. 적어도 하나의 광원(4) 및 광 채널들(6, 6a, 6b)의 어레이를 포함하는 투사 디바이스(2)로서,
   각각의 채널은,
   제1 및 제2 굴절 광학 자유 형상면(8, 8a, 8b, 10, 10a, 10b) 및 투사 광학계(12, 12a, 12b)를 포함하고;
   상기 제1 및 제2 굴절 광학 자유 형상면들(8, 10)은 상기 광원(4)과 상기 투사 광학계(12) 사이에 배열되고, 객체 광 패턴(13, 13a, 13b, 13a', 13a")에 의해 상기 투사 광학계(12)의 쾰러(K

   

   ohler) 조명을 발생시켜, 상기 투사 광학계(12)의 이미지 면에 이미지(14)가 투사되게 하며,
   상기 광 채널들의 어레이의 이미지들은 서로 겹쳐지는,
   투사 디바이스(2).
2. 제1 항에 있어서,
   상기 투사 광학계(12)의 이미지 평면에 투사될 선명해진 이미지를 생성하기 위해 상기 객체 광 패턴(13a, 13b)에 공간상 고주파 패턴들을 새기도록 구성된 투과 변조 구조(20, 20a, 20h)를 포함하는,
   투사 디바이스(2).
3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
   상기 제1 굴절 광학 자유 형상면(8)은 공간 광 재분포 및/또는 상기 광원에 의해 방사된 광선들의 광선 방향 각도들의 제어를 수행하도록 구성되고; 그리고/또는
   상기 제2 굴절 광학 자유 형상면은 쾰러 조명에 따라 수렴 방식으로 상기 투사 광학계(12)에 광선들을 지향시키도록 구성되며,
   상기 제1 및 제2 굴절 광학 자유 형상면들은 서로 영향을 미치는,
   투사 디바이스(2).
4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 및/또는 제2 광 굴절 광학 자유 형상면(들)(8, 10)은 상기 투과 변조 구조의 광 불투과 영역에서의 조사도와 비교할 때, 상기 투과 변조 구조(20)의 광 투과 영역(29a)에서 더 높은 조사도를 얻기 위해 상기 투과 변조 구조(20)의 광 투과 영역에서 상기 광원(4)으로부터의 광(16)의 조사도를 증가시키도록 구성되는,투사 디바이스(2).
5. 제4 항에 있어서,
   상기 투과 변조 구조(20)는 상기 투과 변조 구조(20)의 광 투과 영역에서의 증가된 조사도에 기초하여 상기 객체 광 패턴을 형성하고,
   상기 투사 광학계(12)는 상기 투사 광학계(12)의 이미지 면에서 상기 객체 광 패턴(13)의 조명을 얻기 위해 상기 투과 변조 구조로부터 상기 객체 광 패턴을 결상하도록 구성되는,
   투사 디바이스(2).
6. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 굴절 광학 자유 형상면들(8, 10)은 실제 광 패턴(13a)에 기초하여 상기 광원(4)과 상기 제2 굴절 광학 자유 형상면(10) 사이의 광 채널(6a)에서 가상 객체 광 패턴(13a'/13a")을 생성하도록 구성되며,
   상기 가상 객체 광 패턴은 투사될 이미지의 결상으로부터 발생하고,
   상기 실제 광 패턴은 상기 제1 및 제2 굴절 광학 자유 형상면들을 투과한 후에 형성되는,
   투사 디바이스(2).
7. 제1 항 내지 제6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 투사 광학계(12)는 실제 또는 가상 투사 표면(18)에 투사될 이미지를 결상하도록 구성되며,
   상기 광 채널들의 어레이의 투사 광학계는 실제 또는 가상 투사 표면(18) 상에 투사될 이미지들을 중첩시키도록 구성되는,
   투사 디바이스(2).
8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광 채널들의 어레이의 개별 채널들은 실제 또는 가상 투사 표면 상에 동일한 대상을 갖는 이미지들을 중첩시키도록 구성되는,
   투사 디바이스(2).
9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광 채널들의 어레이의 개별 채널들 또는 채널들의 그룹들은 실제 또는 가상 투사 표면(18) 상에 서로 다른 이미지들을 생성하도록 구성되고,
   상기 서로 다른 이미지들(50a, 50b)의 적어도 부분적인 중첩에 의해 상기 실제 또는 가상 투사 표면(18) 상에 전체 이미지(50)가 생성되는,
   투사 디바이스(2).
10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 채널들의 어레이의 2개의 채널들 또는 채널들의 2개의 그룹들은 서로 다른 파장 범위들을 처리하도록 구성되며,
    제1 채널 또는 제1 그룹의 채널들은 제1 파장 범위의 결상 오류들을 감소시키고,
    제2 채널 또는 제2 그룹의 채널들은 제2 파장 범위의 결상 오류들을 감소시키는,
    투사 디바이스(2).
11. 제10 항에 있어서,
    상기 투사 디바이스는 서로 다른 파장 범위들의 복수의 광원들 또는 복수의 색상 필터들을 포함하며,
    상기 복수의 색상 필터들 또는 상기 복수의 광원들은 상기 제1 채널 또는 상기 제1 그룹의 채널들로 제1 파장 범위의 광을 지향시키도록 그리고 상기 제2 채널 또는 제2 그룹의 채널들로 제2 파장 범위의 광을 지향시키도록 구성되는,
    투사 디바이스(2).
12. 제1 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원(4)과 상기 제1 굴절 광학 자유 형상면(8) 사이의 그리고/또는 상기 투사 광학계(12) 뒤의, 적어도 2개의 채널들로 구성된 광 채널들의 어레이는 광 재분포에 의해 두드러지게 상기 광 채널들의 주요 광선 각도 분포를 설정하도록 구성된 공통 굴절 광학 구조(52, 54)를 포함하는,
    투사 디바이스(2).
13. 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투사 광학계(12)는 투사된 이미지에서 결상 오류 또는 복수의 결상 오류들을 보정하도록 구성된 적어도 하나의 추가 굴절 광학 자유 형상면(12a', 12a")을 포함하는,
    투사 디바이스(2).
14. 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항에 있어서,상기 광 채널들의 어레이의 모든 채널들의 광학 구조들은 평면 기판들 상에 그리고/또는 평면들에 배열되는,
    투사 디바이스(2).
15. 제1 항 내지 제14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광학 구조는 상기 투사 광학계의 이미지 평면에서 비대칭적인 광 분포를 생성하도록 구성되며, 상기 광학 구조(8, 10, 12, 20)는 이웃하는 광 채널들(6)의 상호 인접한 광학 구조들 사이의 불연속성들을 감소시키기 위해 경사면 상에 배열되고,
    상기 투사 광학계(12)는 비대칭 광 분포에 기초하여 상기 이미지들을 투사하도록 구성되는,
    투사 디바이스(2).
16. 제1 항 내지 제15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상호 인접한 광 채널들의 투사 광학계 및/또는 상기 제1 및/또는 제2 굴절 광학 자유 형상면이 공통의 만곡된 포락선(65a, 65b, 65c) 상에 각각 배열되며,
    상기 이미지들을 중첩할 때 투사 아티팩트들 및/또는 상기 어레이 채널들 사이의 광학적 비활성 영역들 및/또는 불연속성들을 피하기 위해 상기 상호 인접한 광 채널들의 주요 광선 각도들(67a, 67b, 67c)이 적응되는,
    투사 디바이스(2).
17. 제1 항 내지 제16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투사 디바이스는 산란 및/또는 미광(stray light)을 억제하는 적어도 하나의 추가 투과 변조 구조(44, 46, 48)를 포함하는,
    투사 디바이스(2).
18. 제1 항 내지 제17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 채널들(6)은 육각형, 직사각형, 스트립형의 왜곡된 규칙적, 불규칙적 또는 확률적 타일링을 포함하는,
    투사 디바이스(2).
19. 적어도 하나의 광원 및 광 채널들의 어레이를 포함하는 투사 디바이스를 사용하여 투사하기 위한 방법(2100)으로서,
    상기 광원과 투사 광학계 사이에 제1 광학 자유 형상면 또는 제2 굴절 광학 자유 형상면을 배열하는 단계(2105);
    상기 제1 굴절 광학 자유 형상면 및 상기 제2 굴절 광학 자유 형상면을 사용하여, 객체 광 패턴에 의해 상기 투사 광학계의 쾰러 조명을 발생시켜, 상기 투사 광학계의 이미지 면에 이미지가 투사되게 하는 단계(2110); 및
    상기 광 채널들의 어레이의 이미지들을 서로 중첩시키는 단계(2115)를 포함하는,
    투사 디바이스를 사용하여 투사하기 위한 방법(2100).

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