DE3887578T2

DE3887578T2 - Telezentrisches abbildendes System mit veränderlicher Vergrösserung.

Info

Publication number: DE3887578T2
Application number: DE3887578T
Authority: DE
Inventors: Takahisa Dainippon Scr Hayashi; Zenji Dainippon Scree Wakimoto
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1987-06-19
Filing date: 1988-06-16
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2008-06-17
Also published as: EP0297361A3; JPS63316817A; DE3887578D1; EP0297361A2; US4867545A; KR910006841B1; EP0297361B1; KR890000913A; JPH042929B2

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein telezentrisches abbildendes optisches System nach Anspruch 1, durch das ein Hauptstrahl parallel zur optischen Achse hindurchtritt, und genauer ein telezentrisches abbildendes optisches System, das zur Veränderung der Abbildungs- Vergrößerung fähig ist.
Das telezentrisches abbildende optische System nach der vorliegenden Erfindung kann für einen Meßprojektor oder ein optisches Meßinstrument genutzt werden. Es kann auch für ein abbildendes optisches System eines Belichtungsgerätes, z. B. eines Farbscanners, eines Laserdruckers oder dergleichen genutzt werden.
Ein Linsensystem, in dem der zweite Brennpunkt einer Objektivlinse, die eine positive Brennweite besitzt, mit dem primären Brennpunkt eines Okulars zusammenfällt, das eine positive Brennweite besitzt, ist als teleskopisches System bekannt. Wenn ein Objekt in der Nähe des primären Brennpunktes der Objektivlinse des teleskopischen Systems angeordnet wird, wird ein umgekehrtes Bild in der Nähe des zweiten Brennpunktes des Okulars gebildet, um so ein telezentrisches abbildendes optisches System zu bilden, durch das ein Hauptstrahl parallel zur optischen Achse hindurchtritt.
In diesem Fall ist die Vergrößerung eines realen Bildes relativ zum Objekt gleich dem Verhältnis der Brennweite des Okulars zur Brennweite der Objektivlinse, und eine abbildende Vergrößerung wird nicht verändert, wenn die Objektentfernung sich verändert. Dies ist ein kennzeichnendes Merkmal des obigen Linsensystems. Dieses Merkmal ausnutzend, wird ein telezentrisches optisches System häufig als optisches System eines Meßinstrumentes benutzt, das eine genaue Größenmessung erfordert, wie in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 51-96336 beschrieben.
Das Merkmal des telezentrisch abbildenden optischen System nutzend, daß ein Hauptstrahl durch dieses parallel zu einer optischen Achse hindurchtritt, wird dieses als Übertragungslinse benutzt, die ein durch ein vorgesetztes Linsensystem gebildetes Bild als Objekt eines nachgeschalteten Linsensystems wiederherstellt. Zum Beispiel hat die US-Patentanmeldung Nr. 33 582 (angemeldet am 1. April 1987) einen Stand der Technik beschrieben, in dem ein Zwei-Schritt telezentrisches optisches System für einen Laserbelichtungsapparat genutzt wird, insbesondere für ein abbildendes optisches System eines Laserplotters.
Die Abbildungsvergrößerung so eines telezentrischen abbildenden optischen Systems wird konstant gehalten, wenn eine Objektentfernung verändert wird und bestimmt sich nur durch die Kombination der Brennweiten der zu benutzenden Linsen.
Dies erzeugt das folgende Problem: wenn die Abmessungen einer Linse oder einer Linseneinheit nicht so ausgeführt werden, wie sie entworfen sind, oder wenn eine Linse oder eine Linseneinheit fehlerhaft angeordnet oder beim Zusammenbau fehlerhaft justiert ist, d. h. wenn eine Abbildungsvergrößerung anders ist, als die beim Konstruieren vorbestimmte, ist es nach dem Stand der Technik schwierig, einen solchen Fehler zu korrigieren.
Weiter ist es bei herkömmlichen telezentrischen abbildenden optischen Systemen sehr schwierig, die Vergrößerung mehr als zweifach zu verändern, bei konstant bleibender Distanz zwischen einem Objekt und dem Bild, ohne die Qualität eines erzeugten Bildes unter ein bestimmtes Niveau zu verschlechtern, während die Distanz zwischen dem Objekt und dem Bild unverändert bleibt und der Hauptstrahl parallel zur optischen Achse verläuft. Herkömmlicherweise ist es möglich, die Veränderungen nicht mehr als zweifach z. B. bis 1,5 oder 1,8-fach zu verändern (wie in der US-Patentanmeldung Nr. 33 582 offenbart). Zum Beispiel kann in einem Laserplotter aufgrund seiner Gegebenheiten sehr effektiv Werk der Kunst hergestellt werden, wenn die Vergrößerungsgenauigkeit um mehr als das zweifache verändert wird. Daher ist die Schaffung eines telezentrischen abbildenden optischen Systems erwünscht, das dazu in der Lage ist, die Vergrößerung um mehr als das Zweifache zu verändern, ohne die Qualität eines erzeugten Bildes zu verringern.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung des oben beschriebenen Problems gemacht und hat als wesentliche Aufgabe, ein telezentrisches abbildendes optisches System zu schaffen, das die Korrektur einer Abbildungsvergrößerung ermöglicht, wodurch ein aufgetretener Fehler bei der Bearbeitung einer Linse kompensiert wird.
Es ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein telezentrisches abbildendes optisches System zu schaffen, das dazu in der Lage ist, die Vergrößerung mehr als zweifach zu verändern, wobei eine Abbildungsvergrößerungseigenschaft zufriedenstellend beibehalten wird.
Die oben genannten Aufgaben werden durch die folgende Erfindung mit einem telezentrischen abbildenden optischen System gelöst, das eine erste Linseneinheit enthält, die eine positive Brennweite f&sub1; besitzt, eine zweite Linseneinheit, die eine positive Brennweite f&sub2; besitzt, und eine dritte Linseneinheit, die eine positive Brennweite f&sub3; besitzt, angeordnet in dieser Reihenfolge, wobei die dritte Linseneinheit so angeordnet ist, daß ihr Hauptbrennpunkt mit dem zweiten Brennpunkt der ersten Linseneinheit übereinstimmt; die Brennweite der zweiten Linseneinheit wird so gewählt, daß sie die Bedingungen:
f&sub1;/2 < f&sub2;; und
f&sub3;/2 < f&sub2;,
erfüllt, und entlang einer optischen Achse beweglich ist und so angeordnet ist, daß sie in der Nähe der Position angeordnet werden kann, an der beide Brennpunkte im wesentlichen miteinander übereinstimmen; und daß eine Abbildungsvergrößerung durch Bewegen der zweiten Linseneinheit entlang der optischen Achse verändert werden kann, wobei die Entfernung zwischen dem Objekt und einem Bild im wesentlichen konstant gehalten wird.
Entsprechend der obig beschriebenen Konstruktion bewirkt die Bewegung der zweiten Linseneinheit, daß der geschaffene Brennpunkt der ersten Linseneinheit und der zweiten Linseneinheit bewegt wird. Um das Merkmal des telezentrischen optischen Systems aufrechtzuerhalten, ist es nötig, die dritte Linseneinheit entsprechend der Veränderung des Bewegungsweges der zweiten Linseneinheit zu bewegen, so daß dessen Hauptbrennpunkt mit dem geschaffenen Brennpunkt übereinstimmt.
Jedenfalls werden die Brennweiten der entsprechenden Linseneinheiten entsprechend gewählt, wodurch in dem Fall, daß der Bewegungsweg der zweiten Linseneinheit klein ist, der Bewegungsweg des geschaffenen Brennpunktes der ersten und zweiten Linseneinheit in großem Maßen verringert werden kann, wodurch das telezentrische optische System seine Funktion ohne jede Bewegung der dritten Linseneinheit wahrnimmt.
Um die Vergrößerung mehr als zweifach zu verändern, ist es notwendig, die zweite Linseneinheit in großem Ausmaß zu bewegen. Zu diesem Zweck muß wenigstens die dritte Linseneinheit entlang der optischen Achse beweglich sein, und die Brennweite f&sub2; der zweiten Linseneinheit muß die folgende Bedingungen erfüllen:
f&sub2; < 2f&sub1;; und
f&sub2; < 2f&sub3;,
und die dritte Linseneinheit wird so bewegt, daß ihr Hauptbrennpunkt mit dem geschaffenen zweiten Brennpunkt der ersten und zweiten Linseneinheit übereinstimmt, der sich entsprechend der Bewegung der zweiten Linseneinheit bewegt. Dadurch wird ein vollständiges telezentrisches abbildendes optisches System gebildet. Dementsprechend kann eine Abbildungsvergrößerung nicht verändert werden, wenn die Objektentfernung sich verändert. Jedoch kann, wenn die Objektentfernung sich verändert, die auch Bildposition verändert werden. Dadurch kann die Distanz zwischen dem Objekt und dem Bild konstant gehalten werden in dem ungefähr die Objektdistanz unabhängig von der Abbildungsvergrößerung gewählt wird. In diesem Fall wird die Bildposition nicht verändert um ein vollständiges telezentrisches Zoom-abbildendes optisches System zu bilden, wenn die erste Linseneinheit zusätzlich von der Objektposition fortbewegt wird und die Objektposition als Referenzposition genommen wird. Andererseits wird, wenn die Bildposition als Referenzposition genommen wird, die erste Linseneinheit nicht unbedingt beweglich sein. In diesem Fall erfüllt das telezentrische optische System seine Funktion, indem ihm erlaubt wird, sich als Ganzes entlang der optischen Achse zu bewegen.
Beide, Objekt und Bild müssen nötigerweise außerhalb des optischen Systems angeordnet werden, d. h. ein Objekt muß vor der ersten Linseneinheit, und das Bild muß hinter der dritten Linseneinheit angeordnet werden. Daher müssen die Brennweiten f&sub1;, f&sub2; und f&sub3; der jeweiligen Linseneinheiten wenigstens die folgenden Bedingungen erfüllen:
f&sub1;/2 < f&sub2;; und
f&sub3;/2 < f&sub2;.
Wenn die Brennweite f&sub2; im Vergleich mit den Brennweiten f&sub1; und f&sub3; klein ist, wird die Feldverzerrung erheblich ansteigen und die Dimension einer effektiven Bildfläche nicht groß sein können. Die Vergrößerung der Brennweite f&sub2; verbessert das Ausmaß an Flachheit einer Bildfläche und vergrößert die Dimensionen der effektiven Bildfläche. Im Gegensatz zum Obigen wird, wenn die Brennweite f&sub2; zu groß verglichen mit den Brennweiten f&sub1; und f&sub3; ist, sich eine Abbildungsvergrößerung nicht ändern, obwohl die zweite Linseneinheit zur ersten Linseneinheit oder zur dritten Linseneinheit so eng wie möglich hinbewegt wird. Demzufolge ist es notwendig, daß die Brennweite f&sub2; nötigerweise folgende Bedingungen beim Vergrößern der Brennweite f&sub2; erfüllt:
f&sub2; < 2f&sub1;; und
f&sub2; < 2f&sub3;,
so daß das telezentrische abbildende optische System eine Vergrößerung mehr als zweifach in Anbetracht der Aberration und der Dimension der Bildfläche besitzt.
Demzufolge werden die folgenden Bedingungen aus obigen hervorgehen:
f&sub1;/2 < f&sub2; < 2f&sub1;; und
f&sub3;/2 < f&sub2; < 2f&sub3;.
Wenn nur eine Feinjustierung der Abbildungsvergrößerung nötig ist, werden die folgenden Bedingungen nicht notwendigerweise zu erfüllen sein:
f&sub2; < 2f&sub1;; und
f&sub2; < 2f&sub3;.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die das Prinzip des telezentrischen abbildenden optischen Systems nach der vorliegenden Erfindung darstellt,
Fig.2 ist eine schematische Ansicht in Anbetracht der sphärischen Aberration des telezentrischen abbildenden optischen Systems nach der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 ist eine Linsenkonstruktionsansicht, die ein erstes Ausführungsbeispiel des telezentrischen abbildenden optischen Systems nach der vorliegenden Erfindung zeigt,
Fig. 4a - 4c sind Aberrationskurven, die aus Veränderungen der Abbildungsvergrößerungen beim ersten Ausführungsbeispiel entstehen,
Fig. 5 ist eine Linsendarstellung, die ein zweites Ausführungsbeispiel zeigt;
Fig. 6a - 6c sind Aberrationskurven, die aus den Veränderungen der Abbildungsvergrößerungen im zweiten Ausführungsbeispiel entstehen;
Fig. 7 ist ein Linsenaufbau, der ein drittes Ausführungsbeispiel zeigt;
Fig. 8a - 8c sind Aberrationskurven, die aus den Veränderungen der Abbildungsvergrößerungen im dritten Ausführungsbeispiel entstehen;
Fig. 9 ist eine Linsendarstellung, die ein viertes Ausführungsbeispiel zeigt;
Fig. 10a -10c sind Aberrationskurven, die aus den Veränderungen der Abbildungsvergrößerungen im vierten Ausführungsbeispiel entstehen;
Fig. 11 ist eine perspektivische Darstellung eines Laserplottersystems;
Fig. 12 ist eine perspektivische Darstellung eines bekannten Bel Laserplotters;
Fig. 13A ist eine Darstellung eines Linsenaufbaus, die ein telezentrisches bildendes optisches System des Belichterkopfes, der in Fig. 12 dargestellt ist, zeigt, und
Fig. 13B -13D sind erläuternde Darstellungen von Linsenaufbauten, die Anwendungsbeispiele der vorliegenden Erfindung zeigen.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung zur Beschreibung des Prinzips eines telezentrischen abbildenden optischen Systems nach der vorliegenden Erfindung. Wie in Fig. 1 dargestellt, sind die Brennweiten der ersten, zweiten und dritten Linsen jeweils 100 und die Intervalle zwischen ihnen jeweils 100. Angenommen, daß ein Objekt im Abstand 50 vor der ersten Linse angeordnet wird, wird ein Bild im Abstand 50 hinter der dritten Linse gebildet und die Vergrößerung des Bildes ist eins.
Wenn die zweite Linse um 10 nach hinten entlang der optischen Achse bewegt wird (zur dritten Linse), wird die Position des geschaffenen zweiten Brennpunktes der ersten und zweiten Linse um 1,1 zur ersten Linse bewegt. Entsprechend ist es nötig, die dritte Linse 1,1 nach vorne zu bewegen, um ein vollständiges telezentrisches optisches System aufrechtzuerhalten. Da jedoch die Größe der Bewegung nur 1 % der Brennweite der dritten Linse beträgt kann dieses optische System in Praxis als telezentrisches optisches System benutzt werden, obwohl die dritte Linse nicht bewegt wird. Wenn die Position des Objektes nicht verändert wird, wird die Bildposition um 0,226 nach hinten bewegt, wobei dieser Wert ungefähr der Größe der Aberration der Linse entspricht. Dadurch kann der Wert der Veränderung ignoriert werden, obwohl er von dem Öffnungsverhältnis der Linse abhängt.
In diesem Fall ist die sich ergebende Brennweite der ersten und zweiten Linsen 111,1 und die Vergrößerung des Bildes ist 0,9.
Im Gegensatz zu obigem ist, wenn die zweite Linse um 10 nach vorne entlang der optischen Achse aus der Position, die durch die durchgezogene Linie in Fig. 1 dargestellt ist, bewegt wird (zur ersten Linse), die synthetische Brennweite der ersten und zweiten Linsen 90,909 und die Vergrößerung des gebildeten Bildes ist 1,1. Das bedeutet, daß das Vergrößerungsverhältnis des optischen Systems durch Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen der zweiten Linse 1,22 wird.
Alle, die ersten, zweiten und dritten Linsen, die in diesem Ausführungsbeispiel benutzt werden, sind dünne Einzellinsen, um die Zeichnungen und die oben gemachte Beschreibung zu vereinfachen, aber in Praxi wird eine Vielzahl von Linsen benutzt werden, um die erste Linseneinheit, die zweite Linseneinheit und die dritte Linseneinheit zu bilden.
Dadurch ist es notwendig, ihre Hauptpunkte zu berücksichtigen. Wenn die erste Linseneinheit (Hauptpunkte von dieser sind H11 und H12) und die dritte Linseneinheit (Hauptpunkte von dieser sind H31 und H32) sphärische Aberrationen besitzen, wird Licht, das das telezentrische System parallel zur optischen Achse betritt, nicht durch den Brennpunkt treten. Daher ist es, wie in Fig. 2 dargestellt, notwendig, daß die Position, die sich durch das Addieren des Wertes der sphärischen Aberration ΔS (ΔS1, ΔS2) zum Brennpunkt ergibt, mit den Hauptpunkten H21 und H22 der zweiten Linseneinheit übereinstimmt. Der Wert der sphärischen Aberration ΔS wird positiv oder negativ in Abhängigkeit des Aufbaus der ersten Linseneinheit und der dritten Linseneinheit.
In den folgenden Ausführungsbeispielen wird die Auslenkung der Hauptpunkte der zweiten Linseneinheit berücksichtigt. Dadurch bilden die optischen Systeme, die im folgenden beschrieben werden sollen, telezentrische abbildende optische Systeme.

Erstes Ausführungsbeispiel

Das erste Ausführungsbeispiel zeigt ein Beispiel eines telezentrischen abbildenden optischen Systems, das die Justierung der oben beschriebenen Abbildungsvergrößerung erlaubt. Linsendaten der jeweiligen Linseneinheiten, die in Fig. 3 dargestellt sind, werden in TABELLE 1 aufgelistet. TABELLE 1 (Erste Einheit) (Zweite Einheit) (Dritte Einheit) veränderlich Bildgröße
Entfernung zwischen Objekt und Bild bei Bezugsvergrößerung von 1,00 ist: 319,52
Die Anordnung der jeweiligen Linsen entsprechend zu den jeweiligen Abbildungsvergrößerungen 1,11; 1,00 und 0,9 in diesem Ausführungsbeispiel sind in TABELLE 2 dargestellt. TABELLE 2 Vergrößerung
Wobei r für den Radius der Krümmung der Oberflächen der jeweiligen Linsen steht,
d die Entfernung zwischen den benachbarten Oberflächen der Linsen bezeichnet,
n den Brechungsindex der jeweiligen Linsen relativ zu der Wellenlänge von 587,6 nm bezeichnet,
ν für die Abbe-Zahl der jeweiligen Linse steht, und
f die sich ergebende Brennweite der jeweiligen Linseneinheit ist.
Die Figuren 4a bis 4c zeigen Aberrationskurven, die jeweils die sphärische Aberration und den Astigmatismus jeweils zeigen, wobei die Referenzvergrößerung 1,00 beträgt und die zweite Linseneinheit im ersten Ausführungsbeispiel um 10 nach vorne und hinten bewegt wird, mit dem Ergebnis, daß die Abbildungsvergrößerungen 1,11 und 0,90 werden. Der Ursprung befindet sich bei der Bildentfernung d&sub1;&sub0; wie oben beschrieben.
Es gibt kein Problem bei der praktischen Umsetzung, wenn die Bildentfernung d&sub1;&sub0; zu 51,16 festgelegt wird, aber es ist vorteilhaft, daß entweder die dritte Linseneinheit einen geringen Betrag bewegt wird, oder daß die Bildfläche um einen geringeren Betrag als die dritte Linseneinheit bewegt wird.

Zweites Ausführungsbeispiel

Im zweiten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 5 dargestellt ist, werden die telezentrische Charakteristik und die Bewegung der jeweiligen Brennpunkte notwendigerweise bei lichtstarkem Linsensystem untersucht werden. In diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die zweite Linsengruppe zwei trennbare Untergruppen. Dieses Ausführungsbeispiel zeigt, daß mit der Bewegung der zweiten Linsengruppe der Abstand zwischen den beiden Gruppen variiert wird, wodurch die telezentrische Charakteristik beibehalten wird und die Bildposition nicht verändert wird, während die erste und dritte Linsengruppe festgehalten werden. TABELLE 3 Erste Einheit Zweite Einheit Dritte Einheit veränderlich Bezugsvergrößerung Abmessungen der Bildfläche Abstand zwischen Objekt und Bild
Die Anordnung der jeweiligen Linsen in Bezug auf die Abbildungsvergrößerungen 1,11; 1,00 und 0,91 sind in TABELLE 4 aufgeführt. TABELLE 4 Vergrößerung
Die Figuren 6a bis 6c zeigen Aberrationskurven, die jeweils die sphärische Aberration und den Astigmatismus zeigen, wenn die Abbildungsvergrößerungen 1,00; 1,11 und 0,91 betragen, durch Verändern des Abstandes zwischen den Oberflächen der Krümmungen r&sub6; und r&sub7; der zweiten Linsengruppe durch Bewegung dieser zweiten Linsengruppe.
In diesem Ausführungsbeispiel kann die Bildentfernung d&sub1;&sub2; festgehalten werden, wobei die dritte Linseneinheit ortsfest bleibt.

Drittes Ausführungsbeispiel

Im dem dritten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 7 dargestellt ist, ist die zweite Linsengruppe um einen großen Betrag bewegt worden, um so erheblich die Abbildungsvergrößerung des telezentrischen abbildenden optischen Systems zu verändern. In diesem Fall sind die Änderung des geschaffenen Brennpunktes der ersten Linseneinheit und der zweiten Linseneinheit groß. Dementsprechend wird die dritte Linseneinheit entsprechend der Bewegung des geschaffenen Brennpunktes bewegt, so daß der primäre Brennpunkt der dritten Linseneinheit mit dem geschaffenen Brennpunkt übereinstimmt.
In diesem Fall bildet das optische System ein vollständiges abbildendes optisches System. Entsprechend ändert sich die vorgewählte Abbildungsvergrößerung nicht, obwohl die Objektdistanz verändert wird. TABELLE 5 Erste Einheit Zweite Einheit Dritte Einheit veränderlich Abmessungen der Bildfläche Entfernung zwischen Objekt und Bild
Die Anordnung der jeweiligen Linsen entsprechend zu abbildenden Vergrößerung 1,73; 1,00 und 0,58 in diesem Ausführungsbeispiel ist in TABELLE 6 dargestellt: TABELLE 6 Vergrößerung
Figuren 8a bis 8c zeigen Aberrationskurven, die die sphärische Aberration und den Astigmatismus jeweils darstellen, wenn die Abbildungsvergrößerungen 1,00, 1,73 und 0,58 betragen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Vergrößerungsverhältnis des gebildeten Bildes 1,73/0,58, d. h. 2,98 entsprechend zu den obigen Werten; dies bedeutet, daß die Vergrößerung mehr als zweifach ohne Verminderung der Abbildungseigenschaften beträgt.

Viertes Ausführungsbeispiel

Das vierte Ausführungsbeispiel, das in Fig. 9 dargestellt ist, enthält wie auch das dritte Ausführungsbeispiel ein telezentrisches abbildendes optisches System, das dazu in der Lage ist, ein Bild bei einer relativ großen Vergrößerung zu erzeugen, indem die erste Linseneinheit und die dritte Linseneinheit jeweils aus drei Linsen bestehen. Die Linsendaten der entsprechenden Linseneinheiten, die in Fig. 9 dargestellt sind, sind in der TABELLE 7 aufgelistet. TABELLE 7 Erste Einheit Zweite Einheit Dritte Einheit veränderlich Abmessungen der Bildfläche Abmessungen zwischen Objekt und Bild
Die Anordnung der Linsen entsprechend der Abbildungsvergrößerung 1,50, 1,00 und 0,67 in diesem Ausführungsbeispiel ist in TABELLE 8 dargestellt: TABELLE 8 Vergrößerung
Fig. 10a bis 10c zeigen die Aberrationskurven, die jeweils die sphärische Aberration und den Astigmatismus darstellen, wenn die Abbildungsvergrößerung 1,00, 1,50 und 0,67 betragen.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das Vergrößerungsverhältnis 1,50/0,67, d. h. 2,24. Das bedeutet, daß das telezentrische abbildende optische System eine mehr als zweifache Vergrößerung in diesem Bereich besitzt, während es eine bevorzugt gebildete Abbildungseigenschaft beibehält. In dem optischen System, das in dem ersten bis zum vierten Ausführungsbeispiel beschrieben ist, besteht jede der Linseneinheiten aus achromatischen Linsen, wie sie in normalen optischen Systemen mit veränderlicher Vergrößerung benutzt werden.
Wenn diese telezentrischen abbildenden optischen Systeme als Übertragungslinsen eines Laser-optischen Systems benutzt werden, ist es nicht nötig, daß die zweite Linseneinheit (nicht) aus achromatischen Linsen besteht. In Praxis kann die zweite Linseneinheit aus einer einzelnen Linse bestehen. In diesem Fall kann ein Achromatismus durch Kombinieren der zweiten Linseneinheit mit der ersten Linseneinheit, und der dritten Linseneinheit wenn nötig, erreicht werden.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Brennweite der ersten Linseneinheit gleich der der dritten Linseneinheit (Bezugsvergrößerung ist 1,00). Jedoch können deren Brennweiten verändert werden, wenn notwendig. In diesem Fall kann die Bezugsvergrößerung auch verschieden von 1,00 sein.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Beziehung der Brennweiten der jeweiligen Linseneinheiten f&sub1; f&sub2; f&sub3;. Dies ist so, weil die Krümmung des Felds groß wird, wenn der Wert von f&sub2; kleiner als diejenigen von f&sub1; und f&sub3; wird, was bewirkt, daß die Abmessungen der effektiven Bildfläche begrenzt werden.
Damit die Bildfläche flacher ausgebildet werden kann und die Abmessung der effektiven Bildfläche vergrößert werden kann, sollte die Brennweite f&sub2; der zweiten Linseneinheit lang sein.

Ausführungsbeispiel

Das telezentrische abbildende optische System nach der Erfindung kann auch auf einem Belichtungsgerät, wie z. B. einen Laserplotter Anwendung finden.
Fig. 11 zeigt die Außenansicht eines Laserplottersystems. Ein derartiges System wird derzeit für Kunstproduktionen zur Herstellung einer Photomaske eines gedruckten Schaltkreises unter hoher Geschwindigkeit und mit hoher Genauigkeit benutzt.
Ein zylindrischer Laserplotter des Scanning-Typs, wie er in Fig. 11 dargestellt ist, enthält eine Konsole 21, einen Datenprozessor 23, um die Daten, die von der Konsole 21 oder von Magnetbänder eingegeben werden, zu bearbeiten, einen Umwandler 22 zum Umwandeln der bearbeiteten Daten in elektrische Signale, und einen Recorder zum Scannen und Aufzeichnen eines Bildes auf einem auf dem Zylinder 25 befestigten, fotosensitiven Film in Beantwortung von Signalen, die von dem Umwandler 22 übermittelt wurden.
Ein Bild wird durch einen Belichtungskopf, wie in Fig. 12 dargestellt, aufgezeichnet, der sich parallel mit der Rotationsachse des Zylinders 25 bewegt.
Ein Laserstrahl B&sub1;, der aus einer Laserröhre 1 abgestrahlt wird, wird zu einem Strahl B&sub2; mit durch einen strahlaufweitendes Element 3, das die Linsen 3a und 3b enthält, aufgeweitetem Durchmesser. Der Strahl B&sub2; ist in eine Vielzahl von Strahlen B&sub3; durch einen Strahlteiler 4 aufgeteilt. Die Strahlen B&sub3;, die durch einen optischen Modulator 7 moduliert sind, passieren durch eine Blendenplatte 8. Darauf werden sie durch einen ersten Spiegel 9a und einen zweiten Spiegel 9b reflektiert und dann durch ein abbildendes optisches System 10 aufgefangen.
Das abbildende optische System 10 enthält ein erstes telezentrisches optisches System 11, das die Linsen L&sub1; und L&sub2; enthält, und ein zweites telezentrisches optisches System 12, das die Linsen L&sub3; und L&sub4; enthält. Strahlen B4'', die durch den zweiten Spiegel 9b reflektiert sind, werden in der Breite reduziert, um Strahlen B&sub5; zu bilden. Die Strahlen B&sub5; werden durch das zweite telezentrisches optisches System 12 weitergeleitet, um die Strahlen B&sub6; zu bilden. Als Ergebnis wird ein Bild auf dem Film durch die Strahlen B&sub6; reproduziert.
Fig. 13A zeigt eine vertikale Darstellung dieses abbildenden optischen Systems im Längsschnitt und wie die Lichtstrahlen in diesem verlaufen. Das Bild 13 der Öffnungen, die in der Blendenplatte 8 vorgesehen sind, die an einer Fläche F&sub1; angebracht sind, wird auf einer Bildf läche F&sub2;&sub3; durch das telezentrische optische System 11 erzeugt. Das Bild 13 wird als ein Objekt an eine Bildfläche F durch das zweite telezentrische optische System 12 weitergeleitet, um ein Bild 14 zu erzeugen.
Fig. 13B bis 13C sind erklärende Darstellungen, die ein abbildendes optisches System der vorliegenden Erfindung in Gegenüberstellung mit dem, das in der Fig. 13A dargestellt ist, zeigen.
Wenigstens eines der ersten telezentrischen optischen Systeme 11 und des zweiten telezentrischen optischen Systems 12 stellt ein telezentrisches optisches System dar, das drei Linseneinheiten nach der vorliegenden Erfindung enthält. Durch einen derartigen Aufbau kann, wenn es einen Fehler beim Herstellen oder Zusammenbau einer Linse gibt, dieser Fehler durch die zweite Linseneinheit L&sub6; bis L&sub9; kompensiert werden, wodurch eine gewünschte Abbildungsvergrößerung erzielt wird. Weiter ist das abbildende optische System so aüfgebaut, daß es eine Vergrößerung mehr als zweifach durch Verschieben der zweiten Linseneinheit, z. B. L&sub7; und L&sub9;, um einen großen Betrag erlaubt, ein Belichten mit einem groben Muster (Hochgeschwindigkeit) oder ein Belichten mit einem dichten Muster (geringe Geschwindigkeit) kann durch Justieren der Abstände zwischen den Strahlen B&sub6; in eng oder weit erreicht werden.
Es ist möglich, daß telezentrische abbildende optische System nach der vorliegenden Erfindung mit einem strahlaufweitenden Element 3, wie in Fig. 12 dargestellt, zu verwenden.
Das telezentrische abbildende optische System hat im allgemeinen das Merkmal, daß die Vergrößerung sich nicht ändert, wenn die Objektentfernung und die Bildentfernung verändert werden. Dies macht es schwierig, einen Vergrößerungsfehler, der aus einem Bemessungsfehler der Linse beim Bearbeiten oder aus anderen Gründen erfolgt, zu korrigieren. Nach der vorliegenden Erfindung kann eine Vergrößerung verändert werden, wobei die Eigenschaft des telezentrischen optischen Systems beibehalten wird, und eine Vergrößerung mit hoher Genauigkeit verändert werden kann.
Nach der vorliegenden Erfindung kann unter Beibehaltung der Eigenschaft des telezentrischen optischen Systems das Vergrößerungsverhältnis mehr als zweifach betragen. Entsprechend kann die Anwendung dieser auf Belichtungsapparate wie Laserplotter eine zuverlässige und effektive Arbeit von diesen ermöglichen, in Abhängigkeit, ob eine Belichtung ein grobes Endprodukt oder ein dichtes Endprodukt liefert.
Weiter ist das telezentrische optische System nach der Erfindung dazu in der Lage, die Vergrößerung kontinuierlich zu verändern und unterscheidet sich von einer konventionellen Zoom-Linse darin, daß die Positionen der Eintrittspupille und der Austrittspupille unendlich und nicht verändert werden. Daher wird das abbildende optische System nach der vorliegenden Erfindung als Übertragungslinsensystem benutzt und kann leicht an nachfolgende optische Systeme angekoppelt werden.
Während die Erfindung in ihrer Verkörperung als telezentrisches abbildendes optisches System dargestellt und beschrieben wurde, ist sie nicht auf die dargestellten Einzelheiten beschränkt, da vielfältige Veränderungen und Aufbauänderungen vorgenommen werden können, ohne von der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Ohne weitere Analyse kann das Vorhergehende so den Kern der vorliegenden Erfindung verdeutlichen, daß andere durch Anwendung ihres jetzigen Wissens sie leicht für verschiedene Anwendungen adaptieren können, ohne Merkmale fortzulassen, die aus Sicht des Standes der Technik anzunehmenderweise die den grundsätzlichen Eigenschaften der allgemeinen und speziellen Aspekte der Erfindung darstellen.
Was als neu und erfinderisch beansprucht wird, ist in den nachfolgenden Ansprüchen aufgeführt.

Claims

1. Veränderliches telezentrisches abbildendes System mit einer ersten Linseneinheit, die eine positive Brennweite f&sub1; besitzt, einer zweiten Linseneinheit, die eine positive Brennweite f&sub2; besitzt, und einer dritten Linseneinheit, die eine positive Brennweite f&sub3; besitzt, angeordnet in dieser Reihenfolge,

wobei die dritte Linseneinheit derart angeordnet ist, daß der Hauptbrennpunkt im wesentlichen mit dem zweiten Brennpunkt der ersten Linseneinheit übereinstimmt,

wobei die Brennweite der zweiten Linseneinheit so gewählt ist, daß sie die Bedingungen:

f&sub1;/2 < f&sub2;; und

f&sub3;/2 < f&sub2;

erfüllt, und

die zweite Linseneinheit entlang der optischen Achse beweglich ist, um in die Nähe der Position positioniert zu werden, an der beide Brennpunkte im wesentlichen miteinander übereinstimmen, und

wobei die Vergrößerung des optischen Systems durch Bewegen der zweiten Linseneinheit entlang der optischen Achse variiert werden kann, wodurch die Distanz zwischen einem vorbestimmten Objekt und seinem Bild im wesentlichen konstant beibehalten wird.

2. Veränderliches telezentrisches abbildendes optisches System nach Anspruch 1, wobei ein Abstand zwischen dem Objekt und der ersten Linseneinheit oder ein Abstand zwischen dem Bild und der dritten Linseneinheit feststehend ist.

3. Veränderliches telezentrisches abbildendes optisches System nach Anspruch 2, wobei die zweite Linseneinheit zwei einzelne Gruppen enthält und ein Abstand zwischen den einzelnen Gruppen entsprechend der Bewegung der zweiten Linseneinheit variiert wird.

4. Veränderliches telezentrisches abbildendes optisches System nach Anspruch 1, wobei wenigstens die dritte Linseneinheit entlang der optischen Achse beweglich ist, und die Brennweite f&sub2; der beweglichen zweiten Linseneinheit die Bedingung:

f&sub2; < 2f&sub1;; und

f&sub2; < 2f&sub3;,

erfüllt, und

die dritte Linseneinheit so bewegt wird, daß ihr Hauptbrennpunkt mit dem geschaffenen zweiten Brennpunkt der zweiten Linseneinheit und der ersten Linseneinheit zusammenfällt, die sich entsprechend der Bewegung der zweiten Linseneinheit bewegt, und daß die Distanz zwischen dem Objekt und der ersten Linseneinheit geeignet gewählt wird, wodurch eine Vergrößerung groß wird, und das Objekt und die Bildfläche fest bleiben.

5. Veränderliches telezentrisches abbildendes optisches System nach Anspruch 4, wobei die Vergrößerung mehr als zweifach ist.

6. Veränderliches telezentrisches abbildendes optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Brennweite f&sub1; im wesentlichen gleich zur Brennweite f&sub3; ist.

7. Veränderliches telezentrisches abbildendes optisches System nach Anspruch 6, wobei die Brennweite f&sub2; im wesentlichen der Brennweite f&sub1; oder f&sub3; angenähert ist.

8. Laserbelichtungsgerät zum Scannen eines fotoempfindlichen Materials und Speichern eines Bildes darauf, wobei das Gerät enthält:

einen Laser (1) zu Erzeugung eines Laserstrahls (B3), einen optischen Modulator (7) zum Modellieren der Intensität des Linsenstrahls (B3),

einen Scanner (9a, 9b) zum Scannen des fotoempfindlichen Materials,

dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät weiter ein veränderliches telezentrisches abbildendes optisches System wie in Anspruch 1 beschrieben enthält.

9. Laserbelichtungsgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es ein veränderliches telezentrisches abbildendes optisches System wie in Anspruch 4 beschrieben enthält.

10. Laserbelichtungsgerät nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen Strahlteiler (4), der zwischen dem Laser (1) und dem optischen Modulator (7) zur Erzeugung einer Vielzahl von Laserstrahlen (B&sub3;) angeordnet ist.