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Die vorliegende Erfindung betrifft ein anamorphotisches System mit variablen Abbildungsmaßstäben in mindestens zwei beliebigen Richtungen, seine Verwendung sowie ein Verfahren zur Einstellung der Abbildungsmaßstäbe in mindestens zwei beliebigen Richtungen mit einem solchen anamorphotischen System.
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Anamorphotische Systeme erzeugen unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe in horizontaler und vertikaler Bildrichtung. Das Verhältnis der Abbildungsmaßstäbe wird als anamorphotischer Faktor bezeichnet. Anwendung finden die Systeme im Bereich der Aufnahme und Projektion von Breitwandbildern/-filmen (Cinemaskop) sowie in der Strahlformung.
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Beim Cinemaskopverfahren werden für eine anamorphotische Aufnahme zylindrische oder prismatische Optiken eingesetzt, die das Bild in einer Richtung verzerren und auf das normale Filmformat stauchen, so dass es auf dem Bildsensor der Kamera bzw. dem Film aufgenommen werden kann. Bei der Projektion erfolgt die Entzerrung durch eine entsprechende Optik vor dem Projektor. Das Design von anamorphotischer Vorsatzoptik und dem eigentlichen Grundobjektiv erfolgt dabei meist getrennt voneinander. Damit ist eine Kompatibilität der für sich optimierten Baugruppen möglich. Außerdem können so relativ einfach Vario-Systeme mit anamorphotischen Systemen kombiniert werden. Nachteil dieser Hintereinanderschaltung ist jedoch der relative hohe Bauraumbedarf sowie die beschränkte Aberrationskorrektur, wie sie für anspruchsvolle Abbildungsanforderungen nötig ist.
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Der Einsatz von Zylinderlinsen nutzt die unterschiedlichen Brennweiten in zwei senkrecht zueinander stehenden Ebenen aus, um in diesen unterschiedliche Abbildungsmaßstäbe zu realisieren.
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Prismatische Lösungen nutzen eine Anordnung von zwei Prismen, die eine Stauchung bzw. Streckung in einer Bildachse realisieren (1). Nachteil dieser Lösung sind die relativ großen Glasdicken der Prismen, was sich negativ auf Bauraum, Gewicht und den Farbfehler von Prismensystemen auswirkt.
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Als strahlformende Elemente dienen anamorphotische Systeme zur Umformung des elliptischen Strahlprofiles eines Diodenlasers in eine symmetrische Strahlform sowie zur Erzeugung von Lichtlinien oder -flächen aus symmetrischer Laserstrahlung. Dazu werden zylindrische Optiken fester Brennweite in den Laserstrahlengang eingebracht. Durch die unterschiedliche Vergrößerung in den Hauptschnitten kann die Elliptizität des Strahles angepasst werden. Mit dem hier vorgestellten System lässt sich diese Funktionalität erweitern und entsprechend der Anforderungen an den Laserstrahl zwischen kreisförmigem und elliptischem Strahlquerschnitt bzw. zwischen linienförmiger oder flächiger Ausleuchtung umschalten.
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In der
US 7,413,306 B2 ist ein optischer Aufbau aus mehreren, um die optische Achse winkelversetzt angeordneten Zylinderlinsen beschrieben, welche individuell in der Brennweite verstimmbar sind und Aberrationen durch unterschiedliche Brennweiten in unterschiedlichen winkelversetzt angeordneten Ebenen korrigieren oder gezielt in das System einbringen können. Das System ermöglicht jedoch durch das Fehlen einer zweiten in entsprechendem Abstand zueinander angeordneten Baugruppe mit ebenfalls winkelversetzt angeordneten, verstimmbaren Zylinderlinsen keine Anpassung der Bildauffangebene für unterschiedliche Brennweiten und damit keine anamorphotische Abbildung mit unterschiedlichen Abbildungsmaßstäben.
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In der
DE 10 2007 005 168 A1 ist ein Verfahren zur Optimierung eines Gesamtsystems (Grundobjektiv in Kombination mit anamorphotischer Optik) beschrieben. Es beinhaltet ein Objektiv mit konstanter Brennweite und konstantem anamorphotischem Faktor. Zur Aberrationskorrektur wurden zusätzlich asphärische torische Linsen genutzt. Das beschriebene System ermöglicht eine endlich-endlich-Abbildung in beiden Azimuten und besitzt ein relativ hohes anamorphotisches Verhältnis von ca. 8:1.
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In der
DE 100 83 056 T1 wird einen Aufbau einer Vorsatzoptik zur anamorphotischen Abbildung mit veränderlichem anamorphotischem Faktor beschrieben, wobei die Bildstreckung bzw. -stauchung nur in einer Richtung erfolgt. Die Variation erfolgt durch verschiebbare Zylinderlinsengruppen. Das anamorphotische Verhältnis wird im Bereich 2:1 bis 1,33:1 variiert.
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Ein Beispiel für eine Kombination aus Vario-Objektiv und anamorphotischem System ist in dem Patent
DE 20 43 193 C3 beschrieben. Das System ist dreigeteilt aufgebaut und besteht aus einer afokalen variablen Vorsatzoptik welche die Brennweitenänderung und Schnittweitenkonstanz realisiert und einem Grundobjektiv fester Brennweite. Im telezentrischen Strahlengang zwischen beiden Baugruppen ist ein anamorphotisches System positioniert. Dieses ist als Zylinderlinsen- oder Prismensystem ausgeführt. Der im Patent realisierte anamorphotische Faktor liegt zwischen 1.5x und 2x. Eine Variation des anamorphotischen Faktors ist jedoch nicht vorgesehen.
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In einem klassischen anamorphotischen System aus Zylinderlinsen werden starre Linsen genutzt, die fest im System verbaut sind. Um eine Variation des anamorphotischen Faktors zu erreichen, erfolgt die Änderung des Abbildungsmaßstabes meist nur in einer Richtung. Die Realisierung eines Systems mit in zwei Richtungen unabhängigen variablen Abbildungsmaßstäben durch Verschieben der Baugruppen, wie bei klassischen Zoom-Objektiven üblich, ist nicht oder nur sehr eingeschränkt möglich, da ein Ineinanderschieben der Baugruppen verhindert werden muss.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden und ein anamorphotisches System mit variablen Abbildungsmaßstäben in horizontaler und vertikaler Richtung sowie ein Verfahren zur Einstellung der Abbildungsmaßstäbe in mindestens zwei beliebigen Richtungen mit einem solchen anamorphotischen System bereitzustellen, mit dem einerseits für die Aufnahme bzw. Wiedergabe von Szenen mit großem Aspektverhältnis, Standardformate für Film, Sensor bzw. Display genutzt werden können und andererseits im Bereich der Strahlformung unsymmetrische Laserstrahlen symmetrisch umgeformt bzw. angepasst an den Bearbeitungsprozess gezielt unsymmetrisch eingestellt werden können.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des ersten und siebenten Patentanspruches gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Systems sind in den Patentansprüchen zwei bis sechs gekennzeichnet, während bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens in den Patentansprüchen acht und neun angegeben sind. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch 10 wird eine erfindungsgemäße Verwendung des erfindungsgemäßen Systems vorgeschlagen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 – den prinzipiellen Aufbau eines Anamorphoten aus zwei Prismen
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2 – den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen anamorphotischen Systems
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3 – die Geometrie einer a) langen Rechteckmembran mit großem Aspektverhältnis und b) einer optimierten Membran mit kleinem Aspektverhältnis
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4 – die Simulation des Höhenprofils der Membrandeformation bei optimierter Einspannung mit zylindrischer Oberfläche im mittleren Bereich (Schraffur)
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5 – die Anordnung der Zylinderlinsen für Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Systems
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6 – die Ansteuerung der Zylinderlinsen für eine scharfe Abbildung bei gegebenem Abbildungsmaßstab
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Für das erfindungsgemäße System werden Membran-Zylinderlinsen mit veränderlicher Brennweite genutzt. Hierdurch ist eine Variation des Abbildungsmaßstabes durch eine Anpassung der Brennweiten ohne Verschieben oder Verdrehen der Elemente möglich. Das System enthält vier unabhängig voneinander verstimmbare Zylinderlinsen, um separat für die Abbildung in horizontaler und vertikaler Richtung den Abbildungsmaßstab einzustellen und gleichzeitig die Bildposition konstant zu halten. Durch den Einsatz der verstimmbaren Zylinderlinsen ist für die Variation der Brennweite des Gesamtsystems keine Verschiebung der einzelnen Komponenten nötig, welche meist anspruchsvolle Mechanik erfordert. Zudem bleibt die Gesamtlänge des Systems konstant.
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Die Brennweiten der Zylinderlinsen, welche als Membranlinsen ausgeführt sind, sind durch Veränderung der Membrankrümmung variabel einstellbar. Im Vergleich zu klassischen Vario-Objektiven bietet dies den Vorteil, dass keine Verschiebung der Bauelemente nötig ist und ein Ineinanderschieben der Bauelemente ausgeschlossen werden kann. Dies ermöglicht eine unabhängige Variation der Abbildungsmaßstäbe Für eine anamorphotische Abbildung mit variablem Abbildungsmaßstab in zwei Richtungen sind mindestens vier durchstimmbare Zylinderlinsen notwendig. Im Folgenden wird ein solches System beschrieben. Die hier vorgelegte Erfindung umfasst ebenfalls Systeme, welche durch den Einsatz zusätzlicher abbildender Elemente (Linsen) zu einer Verbesserung der Abbildungsleistung führen.
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Wie in 2 dargestellt, realisieren je zwei Zylinderlinsen eine Abbildung in einer lateralen Richtung wobei durch Variation zweier Brennweiten sowohl der Abbildungsmaßstab eingestellt als auch die Bildauffangebene konstant gehalten wird. Durch zwei um 90° verdrehte Linsenpaare ist eine unabhängige Verstimmung der Abbildungsmaßstäbe βx und βy bei konstanter Bildlage möglich.
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Die Zylinderlinsen sind als druckgesteuerte, mit Immersionsflüssigkeit gefüllte Membranlinsen realisiert. Aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften und optischen Transparenz wurde für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel als Membranmaterial Aluminium-Nitrid (AlN) gewählt. Die hohe Festigkeit von AlN ermöglich eine Ausführung der Membran mit einer Dicke von ca. 500 nm, dadurch treten im Randbereich der Membran keine signifikanten Biegeeffekte auf und der gesamte zentrale Membranbereich ist ohne Beeinflussung von Randdeformationen als Aperturöffnung nutzbar. Durch Anlegen und Variation eines Druckes an die Immersionsflüssigkeit werden die Krümmung der Membran und damit die Brennweite der Linse verändert.
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Eine Herausforderung bestand darin, eine zylindrische Deformation der Membran zu realisieren. Herkömmliche Membranlinsen werden durch runde Membranen realisiert, welche nahezu sphärische Oberflächenprofile erzeugen. Für zylindrische Oberflächenprofile muss die Membranform in einer lateralen Richtung stärker ausgedehnt sein. Theoretisch würde eine Rechteckmembran mit den Seitenlängen a und b, bei der eine Seite unendlich ausgedehnt ist, eine ideale zylindrische Oberflächendeformation im zentralen Bereich der Membran ergeben. Untersuchungen unterschiedlicher Rechteckmembranen zeigen jedoch, dass ab einem Aspektverhältnis von b/a > 4 der Einfluss des Abstandes der kürzeren Rechteckseiten auf die Membrandeformation vernachlässigbar ist.
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Als Aspektverhältnis wird im Folgenden das Verhältnis der Seitenlängen verstanden, welches im Allgemeinen mit Breite/Höhe angegeben wird.
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Ein zylindrisches Oberflächenprofil der Größe a2 wird somit durch eine Membrangeometrie b/a = 5 erreicht (siehe 3a), was einer optisch nutzbaren Fläche von 20% der Gesamtfläche der Membran entspricht. Um die Länge der Membran zu minimieren, wurde die Form der Membraneinspannung optimiert. Um den Einflussbereich der Deformation an der Membraneinspannung vom optisch nutzbaren Bereich zu trennen, muss der Randbereich der Membran aufgeweitet werden. Dazu wurde der optisch nutzbare rechteckige Membranbereich durch kreisförmige Randbereiche mit dem Krümmungsradius r erweitert. Für einen Krümmungsradius r = 1.06875·a ergibt sich eine nahezu zylindrische Oberflächendeformation des mittleren Membranbereich (siehe 4) bei gleichzeitig verringertem Aspektverhältnis der Membrangeometrie. Grundsätzlich ist diese Funktionalität auch mit anderen Formen des Randbereichs wie zum Beispiel einer Ellipse oder Freiformlinie realisierbar. Derartige Zylinderlinsen aus Aluminium-Nitrid besitzen eine nutzbare quadratische Aperturöffnung von 3 × 3 mm2.
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Eine Realisierung der Zylinderlinsen mit Polydimethylsiloxan (PDMS) als Membranmaterial, wie bei konventionellen Membranlinsen üblich, ist grundsätzlich möglich. Durch die niedrigere Festigkeit von PDMS muss die Membran jedoch dicker ausgeführt werden, was zu Biegeeffekten und damit Formabweichungen von der Zylinderfläche im Membranrandbereich führt. Das Kriechverhalten von PDSM verringert zudem die Dynamik des optischen Systems.
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Der vorgestellte Aufbau ermöglicht eine anamorphotische endlich-endlich-Abbildung und stellt lediglich eine Realisierungsmöglichkeit der anamorphotischen Funktionalität dar. Er besteht aus zwei Baugruppen, in denen je zwei Zylinderlinsen positioniert sind (siehe 5). Dabei sind die Abstände zwischen dem Objekt, den Baugruppen und dem Bild so gewählt, dass mit dem einstellbaren Brennweitenbereich eine Variation des Abbildungsmaßstabes zwischen β' = –0.5 ... –2 erreicht werden kann. Durch Anpassung der Systemparameter und ggf. Einfügen weiterer, auch statischer Bauelemente, ist das System an vielfältige Abbildungsanforderungen anpassbar.
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Innerhalb der Baugruppen sind Kanalstrukturen zur Befüllung mit Immersionsflüssigkeit und Ansteuerung der Membranstrukturen durch Druckbeaufschlagung integriert. Die Realisierung der Baugruppe und Aufnahme der optischen Elemente erfolgt durch ein strukturiertes LTCC-Modul (Low Temperature Cofired Ceramics), welches jedoch nur eine mögliche Realisierungsart darstellt. Durch einen kompakten Aufbau können zwei Zylinderlinsen mit relativ kleinem axialem Abstand zueinander positioniert werden, wodurch sich Bauraum, Bildfehler und Vignettierung sowie Streulicht minimieren lassen. Die zwei Zylinderlinsen innerhalb einer Baugruppe sind jeweils gekreuzt zueinander angeordnet, sodass die jeweils gleich orientierten Zylinderlinsen auf den beiden Baugruppen zum Bildaufbau in einer lateralen Richtung beitragen. Der Durchstimmbereich der Zylinderlinsen und der einzustellende Bereich des Abbildungsmaßstabes legen die geometrischen Abmessungen des Systems fest. Um die Vignettierung an den Aperturöffnung der Zylinderlinsen so gering wie möglich zu halten, ist der Abstand e zwischen den Baugruppen so klein wie möglich zu wählen. Begrenzend wirkt hier die maximal einstellbare Brechkraft der Zylinderlinsen. Die Abstände zwischen dem Objekt und der ersten Baugruppe a1 und der zweiten Baugruppe und dem Bild a2 sind so zu wählen, dass der gewünschte Abbildungsmaßstab mit der maximal einstellbaren Brechkraft der Zylinderlinsen zu realisieren ist. In 6 sind die einzustellenden Brennweiten für einen zu realisierenden Abbildungsmaßstab von β' = –2.0 ... –0,5 dargestellt.
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Durch eine nicht-senkrechte Anordnung der Zylinderlinsen ist auch die Änderung des Abbildungsmaßstabes in beliebigen Richtungen möglich.
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Eine Anordnung von mehr als zwei Zylinderlinsen je Baugruppe ermöglicht die Änderung des Abbildungsmaßstabes in mehr als zwei Richtungen. Dies kann insbesondere zur Strahlformung z. B. von Laserstrahlen in beliebig vielen Richtungen genutzt werden.
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Weitere Realisierungsmöglichkeiten wie ein Aufbau zur unendlich-endlich-Abbildung oder afokale Systeme (z. B. vom Galilei- oder Kepler-Typ) sind ebenfalls durch eine entsprechende Anordnung oder Ansteuerung der Baugruppen möglich.
