DE69315315T2

DE69315315T2 - Bildprojektionssystem mit automatischer Scharfeinstellung

Info

Publication number: DE69315315T2
Application number: DE69315315T
Authority: DE
Inventors: Wilhelmus Adrianus G Timmers
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1993-12-23
Publication date: 1998-04-30
Anticipated expiration: 2013-12-24
Also published as: US5400093A; DE69315315D1; JPH06284362A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Bildprojektionsanordnung mit einem Bildwiedergabesystem mit mindestens einer Bildwiedergabeplatte zum Erzeugen eines zu projizierenden Bildes, einem Projektionslinsensystems zum Pojizieren des von dem Bildwiedergabesystem gebildeten Bildes an einem Projektionsschirms und einem Fokusfehlerdetektionssystem, das mit einer Hilfsstrahlungsquelle versehen ist, die einen Fokusmeßstrahl liefert, und mit einem strahlungsempfindlichen Detektionssystem zum Umwandeln an dem Projektionsschirm reflektierter Strahlung des Fokusmeßstrahls in ein Fokusfehlersignal.
Der Ausdruck Bildprojektionsanordnung soll in weitem Sinne verstanden werden und umfaßt eine Anordnung zum Wiedergeben beispielsweise eines videobildes, eines graphischen Bildes, von numerischer Information oder einer Kombination derselben. Die Bilder können Monochrom- sowie Farbbilder sein. Im letzteren Fall kann das Wiedergabesystem drei Farbkanäle enthalten, beispielsweise für die Primärfarben Rot, Grün und Blau, in denen je eine Bildwiedergabeplatte vorgesehen ist. Eine Bildwiedergabeplatte kann durch den Bildschirm einer Elektronenstrahlröhre gebildet werden, besteht aber vorzugsweise aus einer flüssigkristallinen Platte. Im letzteren fall enthält das Bildwiedergabesystem eine Beleuchtungseinheit zum Beleuchten der Platte bzw. der Platten.
Bei den üblichen Bildprojektionsanordnungen, die mit nur einem Projektionslinsensystem in Form einer Gummilinse zum Projizieren eines vergrößerten Bildes an einem beispielsweise einige Meter von der Projektionsanordnung entfernten Projektionsschirm, versehen sind, muß nach jeder Anderung des Projektionsabstandes oder nach jeder Änderung der Bildgröße am Schirm das Bild abermals dadurch scharfgestellt werden, daß von Hand oder ggf mit der Fernbedienung die Gummilinse abermals eingestellt wird. Außerdem können, u.a. durch Temperaturschwankungen, optische Elemente der Bildprojektionsanordnung sich gegenüber einander verlagern, wodurch das projizierte Bild unscharf werden kann. Die bekannten Bildprojektionsanordnungen sind also ziemlich zeitaufwendig und erfordern Äufmerksamkeit und technisches Können des Gebrauchers. Die Gebraucherfreundlichkeit einer Bildprojektionsanordnung würde wesentlich gesteigert werden, wenn die Anordnung mit einem Autofokussystem versehen wäre, d.h. einem System, mit dem der Abstand zwischen einer Bildwiedergabeplatte und dem Projektionsschirm gemessen wird und die Brennweite des Projektionslinsensystems automatisch anhand der genannten Messung eingestellt wird.
In der veröffentlichten Japanischen Patentanmeldung (Kokai) 3-149538 ist eine Bildprojektionsanordnung beschrieben, in der eine Hilfsstrahlungsquelle dem Schirm einen unsichtbaren IR-Meßstrahl zuflihrt, wobei der an dem schirm reflektierte Strahl von einem lagenempfindlichen Detektor aufgefangen wird. Mit diesem sog. Dreiecksmeßsystem läßt sich der Abstand zwischen dem Schirm und einer Bezugsebene, der Ebene der Strahlungsquelle und/oder dem Detektor bestimmen. Diese Information wird dazu benutzt, das ganze Projektionsimsensystem auf optischem Weg zu verlagern, so daß der Abstand zwischen diesem System und dem Schirm an die Brennweite des Projektionslinsensystems angepaßt werden kann. Dieses System hat den Nachteil, daß der Meßstrahl optisch nicht gekoppelt ist mit dem Projektionsimsensystem und der Bildwiedergabeplatte, so daß nicht gewährleistet ist, daß die Brenn-weite des Projektionslinsensystems immer an den Abstand zwischen dem Schirm und der Bildwiedergabeplatte angepaßt ist.
Es ist nun u.a. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Fokusfehlerdetektionssystem für eine Bildprojektionsanordnung zu schaffen, dem ein neues Konzept zugrunde liegt, das sehr zweckmaßig und preisgünstig ist. Die erfindungsgemaße Bildprojektionsanordnung weist dazu das Kennzeichen auf, daß die Hilfsstrahlungsquelle in einer Ebene liegt, die von dem Projektionslinsensystems aus gesehen, mit der Ebene der Bildwiedergabeplatte zusanunenült und einen Fokusmeßstrahl sendet, dessen Strahlung auf ihrem Weg von der Strahlungsquelle zu dem Detektionssystem über den Schirm zweimal durch das Projektionslinsensystem hindurchgeht, daß das Detektionssystem in einer Ebene vorgesehen ist, die von dem Projektionssystem aus gesehen, auf effektive Weise mit der Ebene der Hilfsstrahlungsquelle zusammenfallt.
Mit Hilfe dieses Fokusfehlerdetektionssystems wird ereicht, daß die Bildwiedergabeplatte immer scharf am Projektionsschirm abgebildet wird, unabhängig von dem Abstand zwischen dem Projektionslinsensystem und der Bildprojektionsanordnung, und zwar durch Einstellung der Brennweite des Projektionslinsensystems.
Diese Einstellung kann dadurch erfolgen, daß anhand des Fokusfehler signals das ganze Projektionslinsensystem längs der optischen Achse verlagert wird. Eine Bildprojektionsanordnung, bei der das Projektionslinsensystem durch eine Gunnnilinse gebildet wird, weist vorzugsweise weiterhin das Kennzeichen auf, daß das Fokusfehlersignal einem Aktuator für eine einstellbare Linsengruppe der Gummilinse zugeführt wird.
Die einstellbare Linsengruppe ist vorzugsweise die sog. Frontgruppe der Gummilinse.Es sei bemerkt, daß in der veröffentlichten japanischen Patentanmeldung (Kokai) 3-141336 eine Bildprojektionsanordnung beschrieben ist, in der ein automatisches Fokusfehlerdetektionssystem die Frotgruppe eines Gummiprojektionslinsensystems steuert. Diese Patentanmeldung zeigt jedoch nicht, wie das Fokusfehlersignal erzeugt wird.
Die Bildprojektionsanordnung kann als weiteres Kennzeichen haben, daß die Hilfsstrahlungsquelle sich in der Ebene der Bildwiedergabeplatte außerhalb dieser Platte befindet.
Dann muß dafür gesorgt werden, daß der Schirm größer ist als die größte Abmessung des projizierten Bildes.
Dies ist nicht mehr erforderlich bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Bildprojektionsanordnung, die das Kennzeichen aufweist, daß die Hilfsstrahlungsquelle in einer Ebene liegt, welche die gespiegelte Ebene der Ebene einer Bildwiedergabeplatte gegenüber einem teilweise durchlässigen Reflektor ist, die mit der optischen Achse des Projektionslinsensystems einen scharfen Winkel einschließt.
Dieser Reflektor ist beispielsweise ein dichruitischer Spiegel, der das von der Bildwiedergabeplatte herrührende Licht reflektiert und die Strahlung, beispielsweise IR-Strahlung, der Hilfsstrahlungsquelle durchläßt.
Vorzugsweise weist diese Ausführungsform das weitere Kennzeichen auf, daß der schrafe Winkel ein Winkel von 45º ist und daß die Strahlungsquelle auf der Verlängerung der genannten optischen Achse liegt.
Dann wird der Fokusfehler auf der optischen Achse des Projektionsun sensystems gemessen, was den Vorteil hat, daß der Fokusmeßstrahl senkrecht auf den Projektionsschirm trifft und der größte Teil der Meßstrahlung in Richtung des Detektors reflektiert wird.
Die Bildprojektionsanordnung nach der Erfindung kennt eine Vielzahl Ausführungsformen, die in eine Anzahl Klassen aufgeteilt werden können.
Eine erste Klasse von Ausführungsformen weist das Kennzeichen auf, daß in dem Teil der Strecke der an dem Projektionsschirm reflektierten Strahlung zwischen dem Projektionslinsensystem und dem Detektor und außerhalb der Strecke des von der Strahlungsquelle ausgestrahlten Fokusmeßstrahles ein astigmatisches Element vorgesehn ist und daß der Detektor ein Vierquadranten-Detektor ist. Mehrere Ausführungsformen dieser Klasse, in der das sog. astigmatische Fokusdetektionsverfahren angewandt wird, sind in den Ansprüchen 8 bis 15 beschrieben.
Der reflektierte Fokusmeßstrahl ist der Strahl, der durch denjenigen Teil der von dem Projektionsschirm reflektierten Strahlung des Fokusmeßstrahls gebildet wird, der wieder durch das Projektionslinsensystem hindurchgeht und den Detektor erreichen kann. Weil der Projektionsschirm das Signallicht des Bildwiedergabesystems über einen großen Zuschauerraum streuen muß, verhält sich dieser Schirm für den Fouksmeßstrahl wie ein diffuser Reflektor. Dadurch tritt nur ein Teil der an dem Projektionsschirm reflektierten Strahlung des Fokusmeßstrahls wieder in das Projektionslinsensystem hinein um auf den Detektor konzentriert zu werden. Die Intensität dieses Teils des reflektierten Fokusmeßstrahls ist groß genug um ein brauchbares Fokusfehlersignal zu erzeugen.
Eine zweite Klasse von Ausführungsformen weist das Kennzeichen auf, daß ein Strahlungssperrelement in einer Ebene vorgesehen ist, in der der am Projektionsschirm reflektierte Fokusmeßstrahl fokussiert wird, wenn der Fokusmeßstrahl auf den Schirm fokussiert ist, wobei dieses Element etwa die Hälfte des reflektierten Fokusmeßstrahls abdeckt und daß der Detektor zwei Detektionselemente aufweist, die an verschiedenen Seiten der Hauptachse des reflektierten Fokusmeßstrahls liegen. Die dieser Klasse angehörigen Ausführungsformen, wobei das sog. Einzel- oder Doppel- Foucault-Fokusdetektionsprinzip angewandt wird, sind in den Ansprüchen 17 bis 24, 33 und 34 beschrieben.
Eine Ausführungsform der dritten Klasse weist das Kennzeichen auf, daß der Detektor außerhalb der Ebene vorgesehen ist, in der der reflektierte Fokusmeßstrahl fokussiert wird, wenn der Fokusmeßstrahl auf den Schirm fokussiert ist und daß der Detektor aus einem ersten, kreisförmigen und in der Hauptstrahlstrecke des reflektierten Fokusfehlerstrahls angeordneten Detektionselement und einem zweiten ringförmigen Detektionselement besteht, dessen Innenradius größer ist als der Radius des ersten Detektionsteils.
Eine alternative Form dieser Ausführungsform weist das Kennzeichen auf, daß in Teil der Strecke des an dem Projektionsschirm reflektierten Fokusfehlerstrahls zwischen dem Projektionslinsensystem und dem Detektor und außerhalb des Weges des von der Strahlungsquelle ausgestrahlten Fokusmeßstrahls ein kegelförmiges strahlungsdurchlässiges Element vorgesehen ist und daß der Detektor aus einem ersten, kreisförmigen und in der Hauptstrahlstrecke des reflektierten Fokusmeßstrahls vorgesehenen, Detektionselement und einem zweiten ringförmigen Detektionselement besteht, dessen Innenradius größer ist als der Radius des ersten Detektionselementes.
Eine Ausführungsform der vierten Klasse weist das Kennzeichen auf, daß der Detektor aus zwei Detektionselementen besteht, deren Eintrittsöffnungen einem ersten bzw. zweiten Abstand von dem Projektionslinsensystem, wobei der erste bzw.zweite Abstand größer bzw. kleiner ist als der Abstand zwischen dem Projektionslinsensystem und der Ebene, in der der reflektierte Fokusmeßstrahl fokussiert wird, wenn der Fokusmeßstrahl auf den Projektionsschirm fokussiert ist.
Eine fünfte Klasse von Ausführungsformen weist das Kennzeichen auf, daß die Strahlungsquelle einen schmalen Fokusmeßstrahl ausstrahlt, der exzentrisch durch das Projektionsimsensystem hindurchgeht, wobei dieses System den reflektierten Fokusmeßstrahl auffängt und auf den Detektor konzentriert, der zwei Detektionselemente umfaßt.
Eine bevorzugte Ausführungsform dieser Klasse weist das Kennzeichen auf, daß die Hauptachse des Fokusmeßstrahls mit der optischen Achse des Projektionslinsensystems emen scharfen Winkel einschließt. Durch das schiefe Eintreffen des Fokusmeßstrahls in das Projektionslinsensystem wird vermieden, daß Elemente dieses Systems Strahlung zu dem Detektor hin reflektieren.
Eine sechste Klasse von Ausführungsformen ist gekennzeichnet durch Mittel zum periodischen Verlagern des Brennpunktes des Meßstrahls längs der optischen Achse des Projektionslinsensystems, durch einen einfachen Detektor mit einer derartigen Einstrittsöffnung, daß er eine maximale Strahlungsmenge auffangt, wenn der Fokusmeßstrahl auf den Projektionsschirm fokussiert wird und durch eine mit dem Ausgang des Detektors verbundene Signalverarbeitungsschaltung zum Vergleichen des Detektorsignals mit einem Steuersignal für die Mittel zur periodischen Verlagerung des Brennpunktes.
Durch die periodische Verlagerung des Meßstrahlbrennpunktes wird ein Detektorsignal mit einem großen Rauschabstand erhalten. Auch in den anderen Klassen von Ausführungsformen können Maßnahmen getroffen werden um ein dynamisches Fokusfehlersignal zu erhalten.
Die siebente Klasse von Ausführungsformen weist das Kennzeichen auf, daß in dem Teil der Strecke des reflektierten Fokusmeßstrahls zwischen dem Projek tionslinsensystem und dem Detektor und außerhalb der Strecke des von der Strahlungsquelle ausgestrahlten Fokusmeßstrahls ein Element mit einer Brechzahl n&sub1; in einem derartigen Winkel vorgesehen ist, daß, wenn der Fokusmeßstrahl auf den Projektionsschirm fokussiert ist, die Teilstrahlen des reflektierten Strahles in Winkeln auf das Element treffen, die dem Wert
wobei n&sub2; die Brechzatil des das Element umgebenden Mediums ist und daß der Detektor einzelne Detektionselemente für die zwei Strahlhälften des reflektierten Fokusmeßstrahls aufweist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 den Schaltplan einer bekannten Bildprojektionsanordnung,
Fig. 2 eine Bildprojektionsanordnung mit einem Fokusservosystem nach der erfindung,
Fig. 3 ein Projektionslinsensystem zum Gebrauch in dieser Anordnung,
Fig. 4 bis 16 eine Darstellung des Prinzips und verschiedener Ausführungsformen eines astigmatischen Fokusfehlerdetektionssystems in der erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 17 bis 28 eine Darstellung des Prinzips und verschiedener Ausführungsformen eines in dieser Anordnung verwendbaren Fokusfehlerdetektionssystems, und zwar auf Basis des Einzel- und Doppel-Foucault-Fokusdetektionsprinzips,
Fig. 29 bis 32c das Prinzip und verschiedene Ausführungsformen eines Fokusfehlerdetektionssystems, wobei das Prinzip der Verbreiterung des Strahlungsfleckens am Detektor bei Defokussierung angewandt wird,
Fig. 33 ein in der Anordnung verwendbares Fokusfehlerdetektionssystem mit axial verschobenen Detektionselementen,
Fig. 34 ein Fokusfehlerdetektionssystem mit einem schmalen Meßstrahl, der exzentrisch durch des Projektionslmsensystem hindurchgeht,
Fig. 35 und 36 ein Fokusfehlerdetektionssystem mit einem periodisch beweglichen Meßstrahlbrennpunkt,
Fig. 37 ein Fokusfehlerdetektionssystem, bei dem das Prinzip der etwaigen Totalreflexion des Meßstrahls angewandt wird,
Fig. 38 bis 41 alternative Ausführungsformen des Einzel-Foucault Fokusdetektionsprizips.
In Fig. 1 ist der Block A ein Beleuchtungssystem, das einen Lichtstrahl b ausstrahlt, dessen Hauptachse mit der optischen Achse OO' des Bildprojektionsgeräts zusammenfällt. Dieser Strahl trifft auf das Bildwiedergabesystem B, das im Fall ein monochromes Bild projiziert werden soll, aus nur einer Bildwiedergabeplatte 1 besteht. Diese Platte ist beispielsweise eine flüssigkristalline Platte (LCD). Eine derartige Platte enthält eine Schicht aus einem flüssigkristallinen Material 4, beispielsweise von dem nematischen Typ, das zwischen zwei durchsichtigen, beispielsweise gläsernen, Platten 2 und 3 eingeschlossen ist. Auf jeder dieser Platten ist eine Steuerelektrode 5 und 6 vorgesehen. Diese Elektroden können in eine Vielzahl von Reihen und Spalten aufgeteilt sein, wodurch eine Vielzahl von Bildelementen in der Wiedergabeplatte definiert sind. Die jeweiligen Bildelemente werden dann dadurch angesteuert, daß die Matrixelektroden angesteuert werden, wie dies durch die Ansteuerklemmen 7 und 8 schematisch angegeben ist. Auf diese Weise kann an den gewünschten Stellen ein elektrisches Fels über das flüssigkristalline Material 4 angelegt werden. Ein derartiges elektrischen feld verursacht eine Anderung der effektiven Brechzahl des Materials 4, so daß das Licht, das durch ein bestimmtes Bildelement hindurchgeht, ggf. eine Drehung der Polarisationsrichtung erfährt, je nach dem Vorhandensein eines örtlichen elektrischen Feldes an der Stelle des betreffenden Bildelementes.
Statt dieser sog. passiv gesteuerten Bildwiedergabeplatte ist auch eine aktiv gestereuerte Platte verwendbar. In der letztgenannten Bildwiedergabeplatte enthält eine der genannten Trägerplatten eine Elektrode, während auf der anderen Platte die Halbleiterelektronik vorgesehen ist. Jedes der Bildelemente wird nun von einem eigenen aktiven Steuerelement, wie beispielsweise einem Dünnfilmtransistor, angesteuert. Die beiden Typen direkt gesteuerter Bildwiedergabeplatten sind in beispielsweise der Europäischen Patentanmeldung Nr.0266 184 beschrieben.
Der auf die Bildwiedergabeplatte 1 auftreffende Strahl soll polarisiert, vorzugsweise linear polarisiert sein. Das Beleuchtungssystem A liefert aber nicht- polarisiertes Licht. Mit einem Polarisator 10 wird aus diesem Licht ein linear polarisierter Anteil mit der gewünschten Polarisationsrichtung selektiert. In dem Weg des von der Bildwiedergabeplatte durchgelassenen Lichtes ist ein Analysator 11 vorgesehen, dessen Polarisationsrichtung beispielsweise sich effektiv parallel zu der des Polarisators erstreckt. Dadurch wird das Licht, das von denjenigen Bildelementen herrührt, die erregt worden sind, und die Polarisationsrichtung des Strahles nicht ändern, von dem Analysator zu einem Projektionslinsensystem C durchgelassen. Das von den nicht erregten Bildelementen, welche die Polarisationsrichtung des Strahles um 90º drehen, herrührende Licht wird von dem Analysator gesperrt. Der Analysator verwandelt auf diese Weise die Polarisationsmodulation des Strahles in eine Intensitätsmadulation. Das Projektionslinsensystem C projiziert das an der Platte 1 erzeugte Bild auf einen Projektionsschirm D. Dieses projizierte Bild kann von einem Zuschauer W betrachtet werden.
Das Beleuchtungssystem kann eine Hochleistungslampe, einen auf nur einer Seite der Lampe vorgesehenen Reflektor und ein auf der anderen Seite der Lampe vorgesehenes Kondensorsystem aufweisen. Dieses Kondensorsystem kann ausgebildet sein, wie die in der US Patentschrift 5.046.837 beschrieben ist und hat dann nebst einer großen Lichtsammelleistung auch einen niedrigen Durchsatz, wodurch die numerische Apertur und die lichte Weise der weiteren optischen Elemente in der Projektionsanordnung, wie der Projektionslinse C, beschränkt sein kann, was kostenmäßig günstig ist.
Das Beleuchtungssystem ist vorzugsweise ausgebildet wie dies in der EP Patentanmeldung Nr. 0.395.156 beschrieben ist und enthält dann als zusätzliche Elemente zwei Linsenplatten. Damit wird erreicht, daß der Durchmesser des Beleuchtungsstrahles an der Stelle einer Bildwiedergabeplatte der zu beleuchtenden Oberfläche dieser Platte entspricht und daß dieser Strahl eine einheitliche Intensitätsaufteilung hat. Dann wird das verfügbare Licht optimal verwendet und das Bild am Projektionsschirm hat eine gleichmäßige Leuchtdichte.
Ein in bezug auf die Verwendung des Lichtes optimales Beleuchtungssystem, das Vorzugsweise in der Bildprojektionsanordnung verwendet wird, ist in der Eunropäischen Patentanmeldung Nr. 0.467.447 beschrieben. Dieses Beleuchtungssystem enthält einen speziellen polarisationsempfindlichen Strahlteiler und einen Polarisationsdreher. Der Strahlteiler teilt den auftreffenden Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen verschiedener Polarisationsrichtungen auf, von denen einer sich direkt dazu eignet, von der Bildwiedergabeplatte moduliert zu werden. Der Polarisationsdreher verwandelt den zweiten Teilstrahl in einen Strahl derselben Polarisationsrichtung wie die des ersten Teilstrahls. Die aus dem Gebilde aus Sytrahlteiler und Polarisationsdreher austretenden Teilstrahlen bilden zusammen einen einzigen Strahl, der mit der geeigneten Polarisationsrichtung durch das Bildwiedergabesystem hindurchgeht.
Die genannten Ausführungsformen des Beleuchtungssystems haben sich behhrt, weil damit, trotz der Tatsache, daß eine flüssigkristalline Bildwiedergabeplatte eine geringe Transmission hat und außerdem vergrößert abgebildet wird, eine große Lichtintensität je Oberflächeneinheit am Projektionsschirm erhalten wird.
Bei Verwendung der oben beschriebenen Bildprojektionsanordnung wird der Gebraucher zunächst handmäßig das projizerte Bild auf den Projektionsschirm scharfstellen müssen, d.h. er muß die Fokussierung der Projektionslinse an den Abstand zwischen der Ebene der Bildwiedergabeplatte und dem Schirm anpassen. Beim Gebrauch kann dieser Abstand sich ändern, beispielsweise durch Temperaturschwankungen innerhalb der Projektionsanordnung oder durch verlagerung des Projektionsschirms. In dem Fall muß der Gebraucher aufs neue scharfsteflen. Weiterhin kann die Projektionslinse als Gummilinse ausgebildet sein, damit die Größe des projizierten Bildes oder eines Teils desselben eingestellt werden kann. Eine solche Gummilinse wird für eine herkömmliche Bildprojektionsanordnung nebst einer Hauptlmsengruppe, einer Frontlinsengruppe und einer Variatorlinsengruppe, mit denen die Bildgröße eingestellt wird, auch noch eine sog. Kompensatorlinsengruppe aufweisen, mit der die Fokusänderung durch Bewegung der Variatorgruppe ausgeglichen wird, enthalten müssen. Dadurch, daß die Bildprojektionsanordnung mit einem erfindungsgemäßen automatischen Fokusservosystem versehen wird, kann nicht nur die handmäßige Einstellung der Fokussierung fortfallen, sondern wird auch eine Gummilinse ausreichen, die nur die drei erstgenannten Linsengruppen aufweist. Denn ein durch den Gebrauch der Gummilinse verursachter Fokusfehler wird nun mit Hilfe des Fokusservorsystems erkannt und durch Bewegung der Frontlinsengruppe aufgehoben. Eine Gummilinse mit drei Linsengruppen ist preisgünstiger als eine Gummilinse mit vier Linsengruppen, was insbesondere für ein Gerät für den Heimgebrauch von Bedeutung ist.
In Fig. 2 ist das Prinzip der erfindungsgemäßen Bildprojektionsanordnung, beispielsweise einer Farbfernsehprojektionsanordnung, dargestellt. Diese Anordnung enthält wieder die drei Hauptteile: das Beleuchtungssustem A, das Bildwiedergabesystem B und ein Projektionslinsensystem C in Form einer Gummilinse. Die hauptachse OO' des Beleuchtungssystems liegt in der Verlängerung der optischen Achse DD' des Geräts, die in der dargestellten Ausführungsform zunächst in drei Teilachsen aufgeteilt wird, wobei diese Teilachsen nachher wieder zu einer einzigen Achse zusammengefügt werden, die mit der optischen Achse EE' des Projektionslinsensystems zusammenfallen kann. Zum Erhalten eines optimalen Bildkontrastes, kann die Achse EE' effektif mit den genannten Teilachsen einen scharfen Winkel einschließen. Unter effektiv wird in diesem Zusammenhang verstanden: abgesehen von etwaigen, von Reflektoren verursachten Winkeln von 90º, wie diese in Fig. 2 auftreten.
Der von dem Beleuchtungssystem A herrührende Strahl trifft auf einen faibselektiven Reflektor 10, beispielsweise einen dichroitischen Spiegel, der beispielsweise den blauen Farbanteil bB reflektiert und den rest des Strahles durchläßt. Dieser Strahlteil trifft auf einen zweiten farbselektiven Reflektor 21, der den grünen Farbanteil bG reflektiert und den restlichen roten Farbanteil bR zu einem Reflektor 22 durchläßt, der den roten Strahl zu dem Projektionslinsensystem reflektiert. Der Reflektor 22 kann ein neutraler Reflektor sein, der für rotes Licht polarisiert ist. Der blaue Strahl wird von einem neutralen oder blauselektiven Reflektor 23 zu einer Wiedergabeplatte 26 in Form einer flüssigkristallinen Platte refelktiert. Diese Platte wird auf bekannte Weise elektronisch derart angesteuert, daß darauf der blaue Anteil des zu projizierenden Bildes erscheint. Der mit der blauen Information modulierte Strahl erreicht über einen farbselektiven Reflektor 24, der den blauen Strahl durchläßt und den grünen Strahl reflektiert, und einen weiteren farbselektiven Reflektor 25, der den blauen Strahl reflektiert, das Projektionslinsensystem C. Der grüne Strahl bG geht durch eine zweite Wiedergabeplatte 27, wo diesem Strahl der grüne Bildanteil aufmoduliert wird, und wird dann nacheinander an den farbselektiven Reflektoren 24 und 25 in Richtung des Projektionslinsensystems C reflektiert. Der rote Strahl bR geht durch eine dritte Wiedergabeplatte 28, wo diesem Strahl der rote Bildanteil aufinoduliert wird, und erreicht danach über den Reflektor 22 und den farbselektiven Reflektor 25 das Projektionslinsensystem C.
An dem Eingang dieses Linsensystems sind der blaue, der rote und der grüne Strahl Überlagert, so daß dort ein Farbbild entsteht, das von diesem System an einem in Fig. 2 nicht dargestellten Projektionsschirm vergrößert abgebildet wird.
Die optischen Strecken zwischen dem Ausgang des Beleuchtungssys tems A und jeder der Wiedergabeplatten 26, 27 und 28 sind vorzugsweise einander gleich, so daß die Durchmesser der Strahlen bB, bG und bR an der Stelle der Wiedergabeplatte einander gleich sind. Weiterhin sind die optischen Strecken zwischen den Wiedergabeplatten 26, 27 und 28 und der Anfangsöffhung des Projektionslinsensystems einander gleich, so daß die unterschiedlich gefärbten Szenen alle gut auf den Projektionsschlrm fokussiert sind.
Vor jeder der Bildwiedergabeplatten 26, 27 und 28 kann eine Linse 40, 41 bzw. 42 vorgesehen werden, die zusammen dafür sorgen, daß alle von der Ausgangsfläche des Beleuchtungssystenms herrührende Strahlung in der Eingangspupille des Projektionslinsensystems C konzentriert wird. Derartige Linsen 40, 41, 42 können statt vor auch hinter den Bildwiedergabeplatte vorgesehen sein. Es ist ebenfalls möglich, die Funktion jeder dieser Linsen durch zwei Linsen erfüllen zu lassen, von denen eine vor und eine hinter jeder Bildwiedergabeplatte vorgesehen ist.
Statt der in Fig. 2 angegebenen Transmissionsbildwiedergabeplatten kann die Bildprojektionsanordnung reflektierende Bildwiedergabeplatte enthalten. Diese Anordnung kann dann ausgebildet werden, wie in Fig. 28 der Europäischen Patentanmeldung Nr. 0.467.447 dargestellt ist.
Die Farbbildprojektionsanordnung kann statt eines Bildwiedergabesystems mit drei Monochromplatten auch mit einem Bildwiedergabesystem mit nur einer einzigen Bildwiedergabeplatte, und zwar einer zusammengesetzten oder Farbplatte versehen sein. Diese Farbplatte enthält dann eine Anzahl Bildelemente, die beispielsweise dreimal größer ist als die Anzahl Bildelemente einer Monochromplatte. Die Bildelemente der Farbplatte sind nach drei Gruppen gegliedert, wobei mit diesen Gruppen ein roes, grünes und blaues Teilbild erzeugt wird. Einem Bildpunkt am Projektionsschirm ist jeweils ein Bildelement jeder der Gruppen zugeordnet. Vor jedem der Bildelemente ist dann beispielsweise ein einzelnes Farbfilter vorgesehen, das nur den für das betreffende Bildelement gewünschten Farbton durchläßt. Diese Farbplatte kann auch wieder eine Transmissionsplatte oder eine reflektierende Platte sein.
Die drei Farbkanäle der Farbbildprojektionsanordnung können auch in einzelnen Einheiten vorgesehen sein, die je ein eigenes Beleuchtungssystem und eine Bildwiedergabeplatte aufweisen. Die von diesen Einheiten gelieferten roten, grünen und blauen Strahlen, die mit Bildinformation moduliert sind, werden beispielsweise durch dichroitische Spiegel vereint und erreichen daraufhin die Projektionslinse. Eine derartige Ausführungsform der Bildprojektionsanordnung ist in Fig. 29 der EP-Anmeldung Nr. 0.467.447 dargestellt.
Das Fukusservosystem enthält eine Fokusfehlerdetektionseinheit FS, eine elektronische Verstarker-und-Regeleinheit CA und einen Motor M. Die Fokusdetektionseinheit enthält eine Quelle 50, die unsichtbare Strahlung sendet, beispielsweise eine Lechtdiode oder ein Haibleiterlaser, der einen IR-Strahl b sendet. Die Reflektoren 22 und 25 sind derart ausgebildet, daß sie diese Strahlen durchlassen. Der Strahl b geht danach durch die Projektionslinse C und bildet einen nicht dargestellten Strahlungsflecken an dem auch nicht dargestellten Projektionsschirm. Dieser Strahlungsflecken ist die von der Projektionslinse erzeugte Abbildung der Quelle 50. Der projektionsschirm reflektiert einen Teil der Strahlung des Strahles b zu der Projektionslinse, die den am Schirm erzeugten Flecken an einem lagenempfindlichen oder zusammengesetzten Detektor 51 abbildet, der sich in der Ebene der Quelle 50 oder in einer damit, beispielsweise über einen teilweisen durchlässigen Reflektor 52 konjugierten Ebene befindet. Der Detektor 51 liefert ein Ausgangssignal oder Fokusfehlersignal, Sf, das abhängig ist von dem Maße, in dem die Quelle 50 an dem Schirm scharf abgebildet wird, wie dies nachstehend noch näher erläutert wird. Weil die Ebene der Quelle 50 die gegenüber dem reflektor 22 bzw. Reflektor 25 bzw. den Reflektoren 24 und 25 gespiegelte Ebene der Ebene der Bildwiedergabeplatte 28 bzw. 26 bzw. 27 ist, ist das Signal Sf auch mdikativ über das Ausmaß, in dem diese Platten scharf an dem Schirm abgebildet werden. Wenn erkannt wird, daß die Bildwiedergabeplatte unscharf an dem Schirm abgebildet wird, beispielsweise dadurch, daß der Schirm in der Richtung der optischen Achse verschoben ist, oder dadurch, daß der Zoomabstand der Projektionslinse geändert worden ist, kann mit Hilfe des Signals Sf die Fokuseinstellung der Projektionslinse derart angepaßt werden, daß am Schirm wieder eine scharfe Abbildung entsteht. Dazu wird das Signal Sf der elektronischen Verstärker-und-Regelschaltung CA zugeführt, die ein Regelsignal Sc für den Motor M liefert. Mit diesem Motor kann beispielsweise die Fokussiergruppe der Projektionslinse gegenüber der anderen Linsengruppe der Linse verlagert werden.
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform einer Projektionsgummilinse dargestellt. Diese Linse enthält drei Linsengruppen G&sub1;, G&sub2; und G&sub3;, die je mehrere Linsenele mente aufweisen. G&sub3; ist die Hauptlinsengruppe, die den größten Teil der Linsenleistung liefert. G&sub1; ist die Fokussierlinsengruppe, oder Frontlinsengruppe, die dem Bildwieder gabesystem zugewandt ist und durch dessen Bewegung mit Hilfe des Motors M und des symbolisch dargestellten Zahnrad-(55)-und-Zahnstange (56)-Getriebes der Fokus eingestellt werden kann. Zwischen den Gruppen G&sub1; und G&sub3; befindet sich eine sog. Variatorgruppe G&sub2;. Diese Gruppe kann durch einen weiteren, nicht dargestellten Motor in dem Raum zwischen den Gruppen G&sub1; und G&sub3; verlagert werden, wodurch der Brennabstand eingestellt werden kann. Eine derartige Verlagerung verursacht eine Anderung in dem Bildabstand der Projektionslinse, die ausgeglichen werden muß. Weil diese Änderung jedoch durch das Fokusfehlerdetektionssystem erkannt wird, laßt sich diese Anderung durch eine Verlagerung der Frontgruppe G&sub1; ausgleichen. Die Bildschärfe an dem Projektionsschirm ließe sich auch mittels einer vierten beweglichen Linsengruppe, einer sog. Ausgleichgruppe, regeln, deren Bewegung mit der der Variatorgruppe gekuppelt ist um die Änderung in dem Bildabstand infolge der Bewegung der Variatorgruppe ausgleich zu können. Eine derartige vierte Linsengruppe macht die Projektionslinse aufwendiger.
In Fig. 4 ist eine erste Ausführungsform des Fokusfehlerdetektionssystems schematisch dargestellt. In dieser und in den nachfolgenden Figuren ist die Projektionslinse C, durch ein einzelnes Linsenelement bezeichnet, durch das Linsensymbol schematisch dargestellt. Weiterhin sind die Elemente der Bildprojektionsanordnung, die für die Wirkung des Fokusfehlerdetektionssystems nicht von Bedeutung sind, nicht dargestellt. Zwecks eine guten Erläuterung der Änderungen in dem Lauf der Strahlung sind die Abstände zwischen den jeweiligen Element nicht maßgerecht gezeichnet.
In dem System nach Fig. 4 geht der von der Hilfsstrahlungsquelle 50 gelieferte Fokusmeßstrahl b durch die Projektionslinse C und wird, wenn der Brennabstand desselben einerseits an den Abstand zwischen der Quelle 50 und der Linse C und andererseits an den Abstand zwischen dieser Linse und dem Schirm D angepaßt ist, in einem Strahlungsflecken 55 am Schirm fokussiert. Der am Schirm reflektierte Strahl b&sub1; geht wieder durch die Projektionslinse C und wird daraufhin durch einen Strahlteiler 52, beispielsweise einen halbdurchlässigen Spiegel, aus dem Weg des Strahls b reflektiert. Die Projektionslinse fokussiert den Strahl b&sub1; in einem Strahlungsflecken 56, der eine Neuabbildung der Quelle so ist. Wenn der Schirm D aus der Lage P&sub1; in die Lage P&sub2; geschoben ist, wird die Strahlungsquelle nicht mehr scharf am Schirm D abgebildet sondern der Strahl b wird in einer Ebene vor dem Schirm fokussiert. Am Schirm erscheint dann einen größeren Strahlungsflecken 57. Die Randstrahlen des von dem Schirm reflektierten Strahls b&sub2; sind nun auswärts verschoben und dieser Strahl wird in einem Flecken 58 fokussiert, der gegenüber dem Flecken 56 aufwärts verschoben ist. Wäre der Schirm aus der Lage P&sub1; in die Lage P&sub3; verschoben, so wird die Quelle 50 in einer Ebene hinter dem Schirm D abgebildet und es wird wieder ein größerer Strahlungsflecken 57 am Schirm gebildet. Die Randstrahlen des an dem Schirm reflektierten Strahls b&sub3; sind nun einwärts verschoben und dieser Strahl wird in einem Flecken 59 fokussiert, der gegenüber dem Flecken 56 abwärts verschoben ist.
In dem Strahlungsweg hinter dem Strahlteiler 52 ist eine Zylinderlinse oder ein anderes astigmatisches Elment vorgesehen. In Fig. 5, die den Teil des Strahlungsweges des reflektierten Strahls b&sub1; hinter dem Strahlteiler 52 wiedergibt, ist diese Linse durch 60 bezeichnet. Der reflektierte Strahl b&sub1; bildet einen kreisrunden Strahlungsflecken an dieser Linse. Die Zylinderlinse 60 hat nur in der Richtung Y eine bestimmte Linsenstärke, so daß nur in dieser Richtung der Strahl b&sub1; extra konvergiert wird. Dadurch gibt das durch die projektionslinse C und die Zylinderlinse 60 gebildete astimatische System eine Abbildung des Strahlungsfleckens 55 nicht mehr in nur einem kreisförmigen Flecken sondern in zwei senkrecht aufeinander stehenden, sog. astogmatischen Fokuslinien 62 und 63. In einer Ebene X&sub1;Y&sub1; mitten zwischen diesen Linien ist die Abbildung des Fleckens 55 kreisrund. In dieser Ebene ist ein sog. Vier-Quadranten- Detektor 65 vorgesehen, der in Fig. 6 in Draufsicht dargestellt ist. Dieser Detektor enthält vier voneinander getrennte strahlungsempdindliche Gebiete 66, 67, 68 und 69 und die Trennstreifen 70 und 71 schließen mit den astigmatischen Brennlinien 62 und 63 einen Winkel von 450 ein.
Der Detektor 65 ist an einer derartigen Stelle auf der optischen Achse vorgesehen, daß wenn die Quelle 50 am Schirm D scharf abgebildet wird, der Strahl b&sub1; einen kreisrunden Flecken 75 auf diesem Detektor bildet. Dann empfangen alle Detektorelemente 65, 66, 67 und 68 eine gieiche Strahlungsintensität. Der Schirm befindet sich dann an der Stelle P1 in Fig. 4. Verlagert sich der Schirm in die Lage P&sub2;, so verlagern sich die astigmatischen Brennlinien in Fig. 5 aufwärts, so daß die Linie 63 näher bei dem Detektor liegt als die Linie 62. Dann wird ein ellipsentörmiger Strahlungsflecken 76, die lange Achse in der Y-Richtung, an dem Detektor gebildet und die Detektionselemente 66 und 69 empfangen eine größere Strahlungsintensität als die Detektionselemente 67 und 68. Umgekehrtes ist der Fall, wenn der Schirm D sich in der Lage P&sub3; in Fig. 4 befindet. Dann sind nämlich die astigmatischen Brennlinien in Fig. 5 abwärts verschoben und an dem Detektor 65 wird ein ellipsenförmiger Strahlungsflecken 77 mit der langen Achse in der X-Richtung gebildet. Wenn die Ausgangssignale der Detektionselemente 66, 67, 68 und 69 durch S&sub6;&sub6;, S&sub6;&sub7;, S&sub6;&sub3; bzw. S&sub6;&sub9; dargestellt werden, wird das Fokusfehlersignal Sf gegeben durch:

Sf = (S&sub6;&sub6; + S&sub6;&sub9;) - (S&sub6;&sub7; + S&sub6;&sub3;)

Dieses Signal kann, wie in Fig. 6 schematisch dargestellt ist, dadurch erhalten werden, daß die Signale S&sub6;&sub6; und S&sub6;&sub9; bzw. S&sub6;&sub7; und S&sub6;&sub8; einem ersten bzw. zweiten Summierer 80 bzw. 81 und die Ausgangssignale dieser Summierer den Eingangen eines Differenzverstärkers 82 zugeführt werden.
Einfachheitshalber ist bei der Erläuterung der Wirkungsweise des Fokusfehlerdetektionssystems nach den Fig. 4, 5 und 6 vorausgesetzt, daß der Projektions schirm die darauf treffende Fokusmeßstrahlung reflektiert, also daß die reflektierte Strahlung zu einem Strahl b&sub1;, b&sub2; oder b&sub3; mit demselben Öffnungswinkel wie der Strahl b konzentriert wird. In Wirklichkeit verhält sich der Projektionsschirm wie ein diffuser Reflektor, der die Meßstrahlung über einen großen Raumwinkel streut. Ein Teil dieser reflektierten Strahlung tritt wieder in das Projektionslinsensystem ein und dieser Teil, der als reflektierter Fokusmeßstrahl bezeichnet wird, wird in der Detektor-ebene konzentriert. Dabei wird zwar keine scharfe Abbildung des Strahlungsfleckens 55 am Detektor gebildet, aber die Anderung der Intensitätsverteilung in der Detektorebene beim Auftreten eines Fokusfehlers ist groß genug um daraus ein Fokusfehlersignal herleiten zu können. Die Verwendung eines diflus reflektierenden Schirms statt eines spekular reflektierenden Schirms führt nur dazu, daß die Strahlungsmenge am Detektor verringert wird, läßt aber das Prinzip des Fokusfehlerdetektionssystems nach den Fig. 4, 5 und 6 unverletzt. Dies gilt auch für die nachstehend noch zu beschreibenden Fokusfehlerdetektionssysteme, so daß auch bei der Beschreibung dieser Systeme die Fiktionen, daß der Projektionsschirm spekular reflektiert und daß der reflektierte Fokusmeßstrahl auf den Detektor fokussiert wird, werden eingehalten können und werden.
Die Wirkungsweise des oben beschriebenen, sog. astigmatischen Fokusfehlerdetektionssystems ist beispielsweise anhand von Verlagerungen des Projektionsschirms D gegenüber der Strahlungsquelle 50 erläutert worden. Ahnliche Phänomene werden auch auftreten, wenn die Strahlungsquelle sich verlagert oder wenn der Brennabstand der Projektionslinse C sich ändert, beispielsweise infolge des Zoom-Vorgangs. Mit den Fokusfehlerdetektionssystem (oder dem Bildunschärfedetektionssystem) läßt sich also detektieren, ob das von der Projektionslinse am Schirm erzeugte Bild der Strahlungsquelle 50 scharf oder unscharf ist, ungeachtet der Ursache der Unscharfe. Weil, wie in Fig. 2 angegeben, die Bildwiedergabeplatte 28 sich in demselben Abstand von der Projektionslinse befindet wie die Strahlungsquelle, m.a.w. die Strahlungsquelle effektiv in der Ebene der Bildwiedergabeplatte liegt, wie in Fig. 4 durch gestrichelte Linien angegeben, detektiert das Fokusfehlerdetektionssystem also auch, ob die Bildwiedergabeplatte scharf oder unscharf am Projektionsschirm abgebildet wird. Dadurch kann die Fokusebene der Projektionslinse korrigiert werden um eine scharfe Abbildung zu erhalten. Dies gilt aucg für alle noch zu beschreibenden Ausführungsformen.
Insbesondere, wenn der Detektor 65 in einem relativ großen Abstand von der Projektionslinse liegt, kann es vorteilhaft sein, in dem Strahlungsweg eines astigmatischen Fokusfehlerdetektionssystems zwischen der Strahlteiler 52 und dem Detektor zwei Zylinderlinsen vorzusehen, die verschiedene Stärken haben und untereinander senkrechte Zylinderachsen. Dann kann ein verbessertes Fokusfehlersignal erhalten werden. Der Effekt der zwei Zylinderlinsen wird nun anhand der Fig. 7 bis 10 näher erläutert.
Die Fig. 7a und 7b zeigen schematisch den Teil des Strahlungsweges hinter dem Strahlteiler 52 eines astigmatischen Fokusfehlerdetektionssystems mit nur einer Zylinderlinse 60, wobei Fig. 7a einen Schnitt gemäß der Ebene ZX nach Fig. 5 und Fig. 7b einen Schnitt gemäß der Ebene ZY nach Fig. 5 darstellt. Die astigmatischen Brennlinien sind wieder durch 62 und 63 und der Detektor durch 65 angegeben. Da die Zylinderlinse 60 nur in einer einzigen Ebene, der Ebene der Fig. 7b, linsenstärke hat, ist nach dem Duchgang durch die Linse 60 die Konvergenz des Strahles b&sub1; in Fig. 7a anders als die in Fig. 71). Dadurch ist das Fokusfehlersignal nicht linear um den Nullpunkt herum. Der verlauf dieses Signals Sf als Funktion der Defokussierung ist in Fig. 8 dargestellt. Das Signal weist nicht nur eine Krümmung um den Nullpunkt auf, sondern ist auch asymmetrisch. Dies ist eine Folge der Tatsache, daß die Abbildungen Px und Py in den Richtungen X und Y, der Pupille der Projektionslinse nicht symmetrisch gegenüber der Ebene des Detektors 65 liegen. Durch die Anordnung zweier Zylinderlinsen in einem konvergierenden, oder divergierenden Strahl wird ein erster einztellbarer Parameter erhalten, und zwar die Lage dieser Linsen gegenüber der Projektionslinse. Ein zweiter einstellbarer Parameter ist die Stärke der zwei Linsen. Durch eine geeignete Wahl dieser zwei parameter läßt sich erreichen, daß die Konvergenzen des Strahles b&sub1; in den Ebenen ZX und ZY einander gleich sind und daß die Pupillenabbildungen gegenüber der Ebene des Detektors symmetrisch liegen. Dadurch weist das Signal Sf einen linearen Verlauf um den Nullpunkt auf und ist dieses Signal symmetrisch, nicht nur um den Nullpunkt herum, sondern auch weiter weg, wie dies in Fig. 10 dargestellt ist.
Die Fig. 9a und 9b zeigen für ein astignaltisches Fokusfehlerdetektionssystem mit zwei Zylinderlinsen denselben Teil des Strahlungsweges nach demselben Schnitt wie die Fig. 7a und 7b. Die zwei beispielsweise negativen Zylinderlinsen sind durch 90 und 91 bezeichnet. Beim Fehlen dieser Linsen würde der Strahl b&sub1; in dem Punkt 56 fokussiert werden und die Abbildung der Pupille der Projektionslinse wäre P&sub0;. Beim Vorhandensein der zwei Linsen 90 und 91 werden zwei astigmatische Brennlinien 92 und 93 gebildet. Die Zylinderlinse 90 bildet die Pupille der Projektionslinse in einer Ebene PX' ab, die in einem relativ großen Abstand von der Ebene des Detektors 65 liegt. Die Zylinderlinse 91, die eine großere negative Stärke hat als die Zylinderlinse 90, bildet die Pupille der Projektionslinse in einer Ebene pY' auf der linken Seite der Ebene des Detektors 65 und in demselben Abstand wie die Ebene PX' ab.
Fig. 11 zeigt eine dritte Ausführungsform eines astigmatischen Fokusfehlerdetektionssystems, das in der Bilprojektionswiedergabeanordnung nach Fig. 2 anwendbar ist. Statt eines teilweise durchlässigen Spiegeis wird nun eine planparallele Platte 100 verwendet, deren Vorderfläche 101 beispielsweise 50% reflektierend ist. Gegenüber Fig. 2 haben die Strahlungsquelle 50 und der Detektor 51 ihren Platz gewechselt. Die axialen Lagen dieser Elemente fallen mit der axialen Lage der nicht dargestellten Bildwiedergabeplatte zusammen.
Ein Teil des von der Quelle 50 gesendeten Strahlung b wird an der Vorderfläche 101 der Platte zu der Projektionslinse C hin reflektiert und von dieser in einem Strahlungsflecken 55 am Schirm Fokussiert. Der am Schirm reflektierte Strahl b' geht zum zweiten Mal durch die Projektionslinse hindurch und geht daraufhin durch die planparallele Platte 100. Weil diese Platte schief in dem konvergierenden Strahl b' steht, hat sie eine astigmatische Wirkung, wodurch wieder zwei astigmatische Brennlinien gebildet werden. Zwischen diesen in Fig. 11 nicht dargestellten Linien ist ein Detektor vorgesehen, der die Form des Quadrantendetektors 65 in Fig. 6 hat. Der Vorteil des Systems nach Fig. 11 ist, daß die Funktionen: Trennen des hingehenden und zurückke hrenden Strahles und die Astigmatisierung des letztgenanten Strahles in ein und demselben Element vereint sind.
Auf der Fläche 102 der planparallen Platte 100 kann eine reflektierende Schicht 103 vorgesehen werden, wie in Fig. 12 dargestellt ist. Der Fokusmeßstrahl geht dann zweimal durch das Substrat der Platte hindurch. Die Ausführungsform nach Fig. 12 ist nicht nur weniger empfindlich für Kippung der Platte 100, sondern auch gedrängter.
Statt eines halbdurchlässigen Spiegels 101 kann auch eine Kombination einer polarisationsempfindlichen Reflexionsschicht und einer λ/4-Platte verwendet werden. Diese Platte wird von dem Fokusmeßsignal auf den Hinweg sowie auf den Rückweg duruchlaufen, so daß die Polarisationsrichtung des reflektierten Fokusmeßstrahls gegenüber der Polarisationsrichtung des von der Strahlungsquelle gesendeten Strahles um 90º gedreht ist und der erstgenannte Strahl von der polarisationsempfindlichen Schicht nahezu völlig durchgelassen wird. Auf diese Weise kann, abgesehen von dem Diffiisionsverlust und anderer Verluste in dem System 100% statt 25% der Quellenstrahlung den Detektor erreichen.
Statt einer planparallelen Platte 100 kann in dem Fokusfehlerdetektionssystem nach den Fig. 11 und 12 auch eine keilförmige Platte 105 verwendet werden, wie in Fig. 13 dargestellt ist. Zum Erhalten desselben Ausmaß an Astigmatismus ist die mittlere Dicke einer keilförmigen Platte geringer als die eines planparallelen Platte. Durch die Verwendung eines Keils kann außerdem die Orientierung des Astigmatismus besser eingestellt und an den zusammengesetzten Detektor 65 angepaßt werden als bei Verwendung einer planparallelen Platte.
In Fig. 14 ist eine weitere Ausführungsform eines astigmatischen Fokusfehlerdetektionssystems dargestellt. Die Funktionen: Trennung des hingehenden und reflektierten Strahles b bzw. b' und die Astigmatisierung des reflektierten Strahles werden hier durch ein einziges Element 110 erfüllt, das auf einem Diffraktionsraster mit einer linear verlaufenden Rasterperiode besteht. Bekanntlich teilt ein Diffraktionsraster einen auftreffenden Strahl in einen Teilstrahl nullter Ordnung, zwei Strahlen, die in der plus-ersten und in der minus-ersten Ordnung abgelenkt werden, und in eine Anzahl Teilstrahlen, die in höheren Ordnungen abgelenkt werden, auf Das Raster 110 kann derart ausgebildet sein, daß der Teilstrahl erster Ordnung b'(+1) einen relativ großen Teil, beispielsweise 40%, der Strahlung des reflektierten Strahles b' umfaßt. Der Quadrantendetektor 65 steht in dem Weg dieses Teilstrahls. Dadurch, daß das Raster eine linear verlaufende Rasterperiode Pf hat, hat es einen astigmatischen Effekt. Denn ein Teil des Teilstrahls b'(+1), der durch einen Rasterteil mit einer großeren Rasterperiode geht, wird über einen kleineren Winkel abgelenkt als ein Strahlteil, der von einem Rasterteil mit einer kleineren Rasterperiode geht.
In den Ausführungsformen nach den Fig. 12, 13 und 14 können die Flächen der Strahlungsquelle 50 und des Quadrantendetektors 65 dicht beisammen he gen, oder sogar zusammenfallen und diese Elemente können auf ein und demselben Substrat angebracht sein.
Statt eines Diffraktionsrasters mit veränderlicher Rasterperiode kann zum Erhalten eines astigmatischen Strahles auch ein einfacher und preisgünstiger herstellbares Raster mit konstanter Rasterperiode verwendet werden, insofern die Ebene dieses Rasters mit der Achse des am Schirm reflektierten Strahles einen scharfen Winkel einschließt. Eine Ausführungsform, bei der dies der Fall ist, ist in Fig. 15 schematisch dargestellt. In dieser Figur ist 111 das schiefe Raster und 65 ist wieder der Quadrantendetektor. In dieser Ausführungsform wird die Erkenntnis angewandt, daß wenn ein Strahl in schiefer Lage auf ein Raster mit konstanter Rasterperiode trifft, dieses Raster Astigmatismus in den Teilstrahlen herbeischafft, die in der ersten oder in höheren Ordnungen abgelenkt werden, wobei dieser Astigmatismus abhängig ist von dem Auftreffel β des auftreffenden Strahles. Dieser Astigmatismus ist auch bei einem kleineren Winkel β, beispielsweise in der Größenordnung von 10 - 20º, groß genug um das astiginatische Fokusfehlerdetektionssystem anwenden zu können und ein Fokusfehlersignal mit einer ausreichend schroffen Neigung um den Nullpunkt herum zu erhalten.
Eine Ausführungsform des Fokusfehlerdetektionssystems, die auf demselben Prinzip beruht wie das nach Fig. 15 ist in Fig. 16 dargestellt. Das darin dargestellte Diffraktionsraster ist dem aus Fig. 15 ähnlich, es ist nun aber ausgebildet als reflektierendes Raster, so daß der Strahlungsweg des Fokusmeßstrahls b gefaltet wird. Der Quadrantendetektor 65 und die Strahlungsquelle können wieder auf ein und demselben Substrat integriert werden.
Statt mit Hilfe astigmatischer Mittel kann ein Fokusfehler auch mit einem in dem Weg des reflektierten Fokusmeßstrahls vorgesehenen absorbierenden oder Strahlteilenden Element und mit zwei oder mehreren hinter diesem Element vorgesehenen Detektoren detektiert werden. Eine erste Ausführungsform dieses prinzips der Fokusfehlerdetektion ist in Fig. 17 dargestellt.
In dieser Ausführungsform ist in der einen Strahlhälfte des reflektierten Strahls b&sub1; an der Stelle 56, wo der Strahl fokussiert wird, wenn der hingehende Fokusmeßstrahl b auf den Schirm fokussiert ist, ein absorbierender Schirm 120, auch als Messerkante bezeichnet, vorgesehen. Hinter diesem Schirm befinden sich zwei Detektoren 121, 122, die je zum Auffangen der Strahlung nur einer Strahlhälfte bestimmt sind. Wenn der Schirm D sich an der Stelle P&sub1; befindet und folglich in dem richtigen Abstand von der Wiedergabeplatte 25, wird der reflektierte Fokusmeßstrahl b&sub1; fiktiv in der Ebene der Messerkante 120 fokussiert. Dann empfangen die zwei Detektoren die selbe Strahlungsmenge und das Fokusfehlersignal Sf, d.h. das Ausgangssignal eines Differenzverstärkers 123, dessen Eingange nut den Ausgängen der Detektoren verbunden sind, gleich Null. Befindet der Schirm D sich in der Lage P&sub2;, so wird der reflektierte Fokusmeßstrahl b&sub2; fiktiv in einem Punkt 58 vor der Messerkante 120 fokussiert. Diese sperrt dann die Strahlung, die auf den Detektor 121 gerichtet ist und das Fokusfehlersignal Sf ist dann positiv. Wenn der Projektionsschirm sich in der Lage P&sub3; befindet, wird der reflektierte Fokusmeßstrahl b&sub3; fiktiv in dem Punkt 59 hinter der Messerkante 120 fokussiert. Diese sperrt dann die Strahlung, die auf den Detektor 122 gerichtet ist, so daß dieser Detektor weniger Strahlung empfllngt als der Detektor 121. Dann ist das Fokusfehlersignal Sf negativ. Auf diese Weise läßt sich die Größe und die Richtung einer Abweichung in dem Abstand zwischen dem Projektionsschirm D und der Bildwiedergabeplatte 28 ermitteln.
Fig. 18 zeigt eine Fokusfehlerdetektionsanordnung, der dasselbe Prinzip wie in Fig. 17 zugrunde liegt. Statt eines absorbierenden Schirms in einem der Strahlhällten wird nun aber ein keilförmiges, durchsichtiges Prisma 125 verwendet, dessen Rippe 126 auf der Hauptachse des reflektierten Fokusmeßstrahls b&sub1; liegt. Die Anord nung nach Fig. 18 hat gegenüber der nach Fig. 17 den Vorteil, daß das keilförmige Prisma nicht so genau positioniert zu werden braucht, und zwar weder in der axialen Richtung, noch in der Richtung senkrecht darauf, wie die Messerkante 120. Das keilförmige Prisma 125 in Fig. 18 teilt den Strahl in zwei Teilstrahlen b1,a und b1,b. Jeder dieser Teilstrahlen bildet einen Strahlungsflecken Sa bzw. Sb an einem zugeordneten Paar von Detektoren 130, 131 bzw. 132, 133. Diese Detektoren liegen in der Ebene, wo der reflektierte Fokusmeßstrahl fiktiv fokussiert wird beim Fehlen des Prismas 125. Wenn der Strahl b scharf auf die Ebene des Projektionsschirms fokussiert ist, liegen die Strahlungsflecken Sa und Sb symmetrisch gegenüber den zugeordneten Detektorpaaren 130, 131 bzw. 132, 133. Wenn ein Fokusfehler auftritt, wird jeder der Flecken asymmetrisch größer werden, so daß die Mitte der Strahlungsverteilung jedes Fleckens gegenüber dem zugeordneten Detektorpaar asymmetrisch liegt. Dies kann als eine Verlagerung des Strahlungsfleckens gegenüber dem zugeordneten Detektorpaar betrachtet werden, wobei diese Verlagerung für den einen Strahlungsflecken in einer Richtung geht, die der des anderen Strahlungsfleckens entgegengesetzt ist. Wenn der Schirm D sich nach links verlagert, verlagert sich der Fokus des reflektierten Fokusmeßstrahls sich von der brechenden Rippe 126 des Prismas weg und die Strahlungsflecken Sa und Sb verschieben sich einwärts. Die Detektoren 131 und 132 empfangen dann mehr Strahlung als die Detektoren 130 und 133. Verlagert sich der Schirm D nach rechjts, so tritt das Umgekehrte auf und die Detektoren 131 und 132 empfangen weniger Strahlung als die Detektoren 130 und 133. Dadurch, daß beispielsweise, wie in Fig. 18 dargestellt, die Signale der Detektoren 130 und 133 einer ersten Summierschaltung 135 und die der Detektoren 131 und 132 einer zweiten Summierschaltung 136 zugeführt werden, und daß die Ausgangssignale dieser Summierschaltungen einem Differenzverstärker 137 zugeführt werden, wird das Fokusfehlersignal Sf erhalten.
Das Fokusfehlerdetektionssystem kann auch derart eingerichtet sein, daß nicht die Detektoren 130-133 sondern die brechende Rippe 126 des Prismas in der Ebene liegt, wo der reflektierte Meßstrahl b&sub1; fiktiv fokussiert wird bei einer einwandfreien Fokussierung des Strahls b am Schirm.
Statt der Verwendung von vier Detektoren, können auch drei Detektoren verwendet werden. Die Detektoren 131 und 132 sind dann durch einen einzigen Zentraldetektor ersetzt worden und das Fokusfehlersignal wird dadurch erhalten, daß die Summe der Ausgangssignale der Detektoren 130 und 133 um das Ausgangssignal des Zentraldetektors verringert wird.
Das Strahlspaltprisma 125 kann aus Glas oder aus einem anderen durchsichtigen Material guter optischer Qualität hergestellt werden. Der Winkel θ zwischen den schrägen Seiten des Prismas soll möglichst nahe bei 180º gewählt werden, damit die Detektoren möglichst nahe beisammen liegen und sich auf nur einem Substrat integrieren lassen. Das prisma 125 wird in der Praxis relativ klein sein.
Statt der einzelnen Elemente 52 und 125 wird vorzugsweise die in Fig. 19 dargestellte alternative Möglichkeit angewandt. Das Strahlspaltprisma 142 ist nun auf dem Strahlspaltprisma 140 mit einer teilweisen durchsichtigen Schicht 141 vorgesehen und kann auf einfache Weise hergestellt weiden. Das Prisma 142 kann aus einem ausgehärteten synthetischen Material, beispielsweise einem unter dem Einfluß von UV- Strahlung oder Wärme ausgehärteten Material, bestehen. Das Prisma kann dadurch hergestellt werden, daß das genannte Material, beispielsweise Polymethylmethacrylat (PMMA) oder aus Polycarbonat (PC) in ausreichend viskosem Zustand auf dem Prisma 140 angebracht, mit Hilfe einer Matrize, die gegenüber dem Prisma 141 gut ausgerichtet ist, in Form gebracht und dann zum Aushärten gebracht wird. Nach dem Zurückziehen der Matrize und ohne weitere Bearbeitungen ist dann das Prismagebilde 141, 142 zum Einbauen bereit.
Beim Zusammenbauen des Fokusfehlerdetektionssystems nach den Fig. 18 und 19 soll man dafür sorgen, daß der Abstand zwischen den zwei Strahlungsflecken Sa und Sb der von dem Scheitelwinkel θ des Strahlspaltprismas abhängig ist, dem Abstand zwischen dem Trennstreifen der Detektoren 130 und 131 einerseits und dem Trennstreifen der Detektoren 132 und 133 andererseits entspricht, so daß bei einer einwandfreien Fokussierung des Strahls b auf den projektionsschirm D die Mitten der Strahlungsflecken auf den zugeordneten Trennstreigen liegen. Zur Erleichterung der Einstellung beim Zusammenbauen kann das Detektionssystem ausgebildet sein, wie dies in Fig. 20 dargestellt ist. Die Detektorpaare 130, 131 und 132, 133 sind nun nicht mehr parallel zueiannder vorgesehen, sondern derart, daß der Trennstreifen 139 zwischen den Detektoren 130 und 131 einen Winkel y mit dem Trennstreifen 139 zwischen den Detektoren 132 und 133 einschließt. In Fig. 20 ist die Situation dargestellt, daß die Mitten der Strahlungsflecken Sa und Sb in einem Abstand d voneinander liegen, wobei dieser Abstand dem Abstand zwischen den Trennstreifen, gemessen längs der Y-Achse durch die Mitte des Detektorsystems, entspricht. Wenn der Abstand zwischen den Strahlungsflecken Sa und Sb gröber ist als d, müssen die Teilstrahlen b&sub1; und b&sub2; derart gegenüber dem Detektorsystem verschoben werden, daß die Strahlungsflecken Sa und Sb sich nach rechts bewegen, bis die Mitten genau auf den zugeordneten Trennstreifen liegen. Wenn der Abstand zwischen den Strahlungsflecken zu klein ist, müssen diese Flecken gegenüber den Detektoren nach links bewegt werden. Die gewünschte Verschiebung der Strahlungsflecken kann dadurch verwirklicht werden, daß das Strahlspaltprisma verschoben bzw. gekippt wird. Statt der Strahlungsflecken kann auch das Detektorsystem verschoben werden, damit die gewünschte Einstellung erhalten wird.
Das Strahlspaltprisma 125 in dem Fokusfehlerdetektionssystem nach Fig. 18 besteht vorzugsweise aus einem durchsichtigen Kunststoff, weil dieses Material preisgunstig ist und weil das Prisma sich dann mit Hilfe von Repliktechniken preisgünstig in Massenfertigung herstellen läßt. Ein derartiges Prisma ist jedoch empfindlich für Schwankungen der Umgebungsparameter, wie Temperatur. Eine Temperaturschwankung kann zu einer Änderung der Brechaahl und der Form des Prismas führen, so daß die Teilstrahlen b1,a und b1,b und damit die von diesen Strahlen gebildeten Strahlungsflecken Sa und Sb gegenüber dem Detektorsystem verschieben. Diese Verschiebung tritt in derselben Richtung auf, in auch die Verschiebung auftritt, die durch einen Fokusfehler verursacht wird. Die Verschiebung infolge von Temperaturschwankungen wird dann als Fokusfehler betrachtet, so daß ein Offset bzw. eine Nullpunktabweichung in dem Fokusfehlersignal entsteht.
Das Auftreten eines derartigen Offsets wird in einem Fokusfehlerdetektionssystem vermieden, in dem ein zusammengesetzter Keil als Strahlteiler verwendet wird. Fig. 21 zeigt ein derartiges Fokusfehlerdetektionssystem, während in Fig. 22 eine Ausführungsform des zusammengesetzten Keils 150 schaubildlich und vergrößert dargestellt ist. Dieser Keil enthält zwei Keilteile 151 und 152, deren obere Flächen 154 und 155 entgegengesetzte Schrägen gegenüber der gemeinsamen Basisfläche 159 aufweisen. Es ist auch möglich, daß eine der oberen Flächen sich parallel zu der Basisfläche erstreckt und die andere obere Fläche gegenüber der Basisfläche geneigt ist. Die Fläche 153 ist die Trennfläche der zwei Keilteile. Der Hauptstrahl des Fokusmeßstrahls, in Fig. 21 durch die strichpunktierte Linie angegeben, liegt in dieser Trennfläche. Der zusammengesetzte Keil spaltet dem reflektierten Fokusmeßstrahl b&sub1; in zwei Teilstrahlen b1,a und b1,b, die durch die entgegengesetzten Schrägen der zwei Keilteile in entgegengesetzten Richtungen verschoben sind. Der Teilstrahl b1,a wird in dem Strahlungsflecken Sa fokussiert, der beispielsweise vor der Zeichenebene in Fig. 21 liegt. Der Teilstrahl b1,b wird in dem Strahlungsflecken Sb fokussiert, der hinter der Zeiehenebene der Fig. 21 liegt. Beim Fehlen des zusammengesetzten Keils würde der Strahl b&sub1; in dem Strahlungsflecken 56 fokussiert werden. Deutlichkeitshalber ist das Detektorsystem 160 unterhalb der Strahlungsflecken Sa und Sb gezeichnet. In Wirklichkeit liegt dieses System in der Ebene der Strahlungsflecken Sa und Sb und senkrecht zu dem Hauptstrahl des Strahles b&sub1;.
Das Detektorsystem 160 enthält wieder zwei Detektorpaare, von denen eines beispielsweise vor der Zeichenebene der Fig. 21 liegt und das andere hinter dieser Ebene. Fig. 23 zeigt eine Draufsicht des Detektorsystems mit den Detektorpaaren 161, 162 und 163, 164. Wenn der Strahl b einwandfrei auf den Projektionsschirm D fokussiert ist, sind die Strahlungsflecken Sa und Sb minimal und liegen gegenüber dem zugeordneten Detektorpaar 161, 162 bzw. 163, 164 symmetrisch. Beim Auftritt eines Fokusfehlers wird jeder der Strahlungsflecken asymmetrisch, d.h., daß die Mitte der Strahlenteilung des Fleckens gegenüber dem zugeordneten Detektorpaar sich verlagert. Diese Verlagerung ist für die zwei Strahlungsflecken wieder in entgegengesetzter Richtung. Wenn die Ausgangssignale der Detektoren durch S&sub1;&sub6;&sub1;, S&sub1;&sub6;&sub2;, S&sub1;&sub6;&sub3; und S&sub1;&sub6;&sub4; bezeichnet werden, wird das Fokusfehlersignal Sf gegeben durch:
Sf = (S&sub1;&sub6;&sub1; + S&sub1;&sub6;&sub4;) - (S&sub1;&sub6;&sub2; + S&sub1;&sub6;&sub3;)
Statt dieses Fokusfehlersignals kann auch ein sog. genormtes Fokusfehlersignal hergeleitet werden. Dieses Signal Sfn wird gegeben durch:
Dieses Signal wird nicht beeinflußt durch Anderungen in der gesamten Strahlungsmenge im Detektorsystem, wobei diese Anderungen infolge einer Anderung der Intensität der von dem Laser gesendeten Strahlung oder Verschmutzung der optischen Elemente auftreten können und wird nur durch die Intensitätsverteilung über die Detektoren bestimmt. Ein derartiges genormtes Fokusfehlersignal kann auch in den Fokusfehlerdetektionssystemen nach den Fig. 17, 18, 19 und 20 hergeleitet werden.
Vorzugsweise ist in dem Strahlungsweghinter dem teilweisen durchlässigen Spiegel 52 eine Zylinderlinse vorgesehen. Dadurch, daß der Spiegel 52 eine planparallele Platte ist, die schief in dem Fokusmeßstrahl steht, wird er in diesem Strahl Astigmatismus hernbeiführen. Eine zylindrische Linse ist auch ein astigmatisches Element. Durch eine geeignete Wahl der betreffenden Linsenparameter, wie des Krümmungsradius der gekrümmten Linsenoberfläche kann die Zylinderlinse den durch den Spiegel 52 verursachten Astigmatismus korrigieren. In den Fig. 21 und 22 ist die Zylinderlinse durch das Bezugszeichen 156 angegeben. Diese Linse kann eine ebene Fläche 157 und eine gekrümmte Fläche 158 haben. Die Zylinderachse der Linse steht senkrecht zu der optischen Achse der Anordnung und in dem gegebenen Beispiel, in dem die Zylinderlinse eine negative Linse ist, parallel zu der Zeichenebene der Fig. 21.
Die Zylinderlinse 156 und der Keil 150 können einzelne Elemente sein und aus verschiedenen Werkstoffen gefertigt sein. Vorzugsweise sind diese Elemente jedoch aus demselben Werkstoff hergestellt und zu einem Element integriert. Dann braucht der Keil 150 nicht auf einem einzelnen Träger angeordnet zu werden und, was wichtiger ist, die Elemente können dann zusammen gefertigt werden, so daß sie zwangsläufig gur zueiannder ausgerichtet sind. Das integrierte Element kann aus einem transparenten Kunststoff bestehen, wie Polymethylmethacrylat (MMA) oder Polycarbonat (PC) und läßt sich durch Anwendung bekannter Repliktechniken und Matrizen preisgünstig herstellen.
Das optische Verhalten des zusammengesetzten Keils 150 und der Zylinderlinse, hergestellt aus einem derartigen Kunststoff ist temperaturabhängig, aber weil in der dargestellten Anordnung die Anderung der Brechzahl des Materials oder der Form der Elemente durch Temperaturschwankungen zu einer Verlagerung der Strahlungsflecken Sa und Sb längs der Trennstreifen der Detektorpaare 161, 162 und 163, 164 führt, werden diese Änderungen das Fokusfehlersignal nicht beeinflußen.
Statt der Form eines Rechtecks, wie in den Fig. 21 und 22 dargestellt, können der zusammengestezte Keil und die zylinderförmige Linse auch kreisförmig sein.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des Fokusfehlerdetektionssystems, die mit Teilstrahlen arbeitet, ist diejenige, bei der die Funktionen: Strahlteilung und Strahlspaltung durch ein einziges Element, und zwar ein Diffraktionsraster, durchgeführt werden. In Fig. 24, die eine Ausführungsform eines derartigen Systems darstellt, ist dieses Raster durch 170 bezeichnet. Die von diesem raster in beispielsweise der +1. Ordnung abgelenkte Strahlung trifft auf das Detektorsystem 180. Die Rasterparameter, insbesondere der Quotient aus der Breite der Rasterstreifen und der Breite der Zwischenstreifen und der Tiefe und der Tiefe und Form der Rasterrillen sind derart gewählt worden, daß eine maximale Strahlungsmenge auf das Detektorsystem trifft.
Fig. 25 zeigt schaubildlich eine erste Ausführungsform des Rasters 170 und des zugeordneten Detektorsystems 180. Der reflektierte Fokusmeßstrahl b' ist durch den Durchmesser in der Ebene des Rasters 170 angegeben. Das Raster enthält zwei Teilraster 172 und 173, die durch die Linie 171 voneinander getrennt sind. Die Rasterstreifen der Raster 172 und 173 sind durch 174 bzw. 175 angegeben. Diese Rasterstreifen werden abgewachselt durch Zwischenstreifen 176 und 177. In dieser Ausführungsform haben and er Stelle der Trennlinie 171 die Rasterstreifen des Teilrasters 172 dieselbe Richtung wie die des Teilrasters 173. Die Rasterstreifenrichtung ist beispielsweise senkrecht zu der Trennlinie 171. Die mittlere Rasterperiode P&sub1; des Teilrasters 172 ist jedoch anders als die mittlere Rasterperiode P&sub2; des Teilrasters 173. Dadurch ist der Winkel, in dem der Teilstrahl b1,a abgelenkt wird, anders als der Winkel, in dem der Teilstrahl b1,b abgelenkt wird. Dies bedeutet, daß in der Ebene der Detektoren die Strahlungsflecken Sa und Sb in der Y-Richtung gegenüber einander verschiben sind. Jedem der Teilstrahlen b1,a, b1,b sind zwei strahlungsempfindliche Detektoren 181, 182 bzw. 183, 184 zugeordnet, die durch schmale Streifen 185 und 186 getrennt sind. Diese Detektoren, beispielsweise Leuchtdioden, sind derart angeordnet, daß falls der Strahl b einwandfrei auf den Projektionsschirm fokussiert ist, die Strahlungsflecken Sa und Sb gegenüber den Detektoren 181 und 182 bzw. 183 und 184 symmetrisch liegen. Beim Auftritt eines Fokusfehlers werden die Strahlungsflecken asymmetrisch größer. Wenn die Ausgangssignale der Detektoren 181, 182, 183 und 184 durch S&sub1;&sub8;&sub1;, S&sub1;&sub8;&sub2;, S&sub1;&sub8;&sub3; bzw. S&sub1;&sub8;&sub4; bezeichnet werden, wird das Fokusfehlersignal Sf gegeben durch:
Sf = (S&sub1;&sub8;&sub1; + S&sub1;&sub8;&sub4;) - (S&sub1;&sub8;&sub2; + S&sub1;&sub8;&sub3;)
Fig. 26 zeigt eine zweite Ausführungsform des Rasters 170 und des zugeordneten Systems von Detektoren. Die Teikaster 172 und 173 haben nun dieselbe mittlere Rasterperiode. Die Richtung der Rasterstreifen 174 und des Teilrasters 172 schließt nun mit der Trennlinie 171 einen ersten Winkel ein, während die Richtung der Rasterstreifen 175 des Teilrasters 173 einen zweiten, vorzugsweise gleich großen jedoch entgegengesetzten Winkel mit der Trennlinie einschließt. Die Teilstrahlen b1,a und b1,b werden im wesentlichen in einer Richtung senkrecht zu der Richtung der Rasterstreifen abgelenkt, so daß die Detektoren 181 - 184 auf andere Art und Weise als in Fig. 25 gegliedert sind. Die Trennstreifen 185 und 186 liegen nun hinter einander in der Z-Richtung. Das Fokusfehlersignal wird wieder gegeben durch:
Sf = (S&sub1;&sub8;&sub1; + S&sub1;&sub8;&sub4;) - (S&sub1;&sub8;&sub2; + S&sub1;&sub8;&sub3;)
Die Fokusfehlerdetektionssysteme nach den Fig. 25 und 26 können derart eingerichtet sein, daß die Detektoren in Form von Photodioden nahe bei der Strahlungsquelle beispielsweise in Form eines Diodenlasers liegen und mit der Strahlungsquelle auf einem einzigen Substrat integriert werden können, wodurch das System einfacher und stabiler wird.
Weil die Teilraster 172 und 173 in Fig. 26 dieselbe Rasterperiode haben und folglich den Teilstrahl b1,a und b1,b über denselben Winkel ablenken, so daß die Teilstrahlen in derselben Ebene fiktiv fokussiert werden, wird die Ausführungsform nach dieser Figur gegenüber der aus Fig. 25, in der die Teilraster verschiedene Ratser perioden haben, bevorzugt.
Die Raster in den Ausführungsformen nach den Fig. 25 und 26 können gerade Rasterstreifen und eine konstante Rasterperiode haben. Vorzugsweise aber haben die Teilraster eine variierende Rasterperiode, wobei die Variation beispielsweise in der Größenordnung einiger Prozente der mittleren Rasterperiode liegt. Außerdem sind vorzugsweise die Rasterstreifen gekrümmt, wie dies die Fig. 25 und 26 zeigen. Dann weisen die teilraster eine schwankende Linsenwirkung auf Durch die schwankende Rasterperiode können die Positionen in der X-Richtung der Strahlungsflecken Sa und Sb durch verlagerung des Rasters 170 in der Richtung der Trennlinie 171, also in der Y- Richtung geändert werden. Aberrationen in einer Richtung senkrecht zu der Linie 171 lassen sich durch Anpassung der Krümmungen der Rasterstreifen minimieren. Die Möglichkeit, die X-Lagen der Strahlungsflecken Sa und Sb anpassen zu könen, ist insbesondere von Bedeutung, wenn eine integrierte Strahlungsquelle-Photodioden-einheit verwendet wird, d.h. ein Bauelement, in dem die Strahlungsquelle und die Photodioden auf einem einzigen Substrat angebracht und dadurch gegenüber einander fixiert sind und folglich einen festen gegenseitigen Abstand in der X-Richtung haben. Dieser Abstand ist Fertigungstoleranzen ausgesetzt und kann beim Zusammenbauen des Fokusfehlerdetektionssystems nicht mehr durch Verlagerung der Photodioden gegenüber der Strahungsquelle in der X-Richtung korrigiert werden.
Auch der Abstand in der Y-Richtung zwischen der Strahlungsquelle und der Mitte des Detektorensystems 180 ist Fertigungstoleranzen ausgesetzt. Auch hier ist ein Ausgleich dadurch möglich, daß das Raster 170 in der Richtung der Trennlinie 171 verlagert wird.
In der Ausführungsform nach Fig. 25 kann dafür gesorgt werden, daß trotz der unterschiedlichen Winkel, in denen die Teilstrahlen b1,a und b1,b in der XY- Ebene infolge der unterschiedlichen mitteleren Rasterperioden der Teilraster 172 und 173 abgelenkt werden, die fiktiven Foki der Teilstrahlen b1,a und b1,b dennoch in einer einzigen YZ-Ebene liegen, und zwar dadurch, daß für die Rasterperioden und die Krümmungen der Rasterstreifen der entsprechenden Teile der zwei Teilraster eine andere Variation gewählt wird.
Ein wesentlicher Vorteil des Diffraktionsrasters mit gekrümmten Rasterstreifen im vergleich zu einem Raster mit geraden Rasterstreifen ist, daß optische Aberrationen, wie Koma und Astigmatismus, die bei Verwendung des letztgenannten Rasters auftreten können, vermeidbar sind, indem diese Aberrationen bei der Fertigung dieses Rasters berücksichtigt werden und die Krümmung der Rasterstreifen daran angepaßt wird.
Das Diffraktionsraster ist vorzugsweise ein Phasenraster in Form einer Reliefstruktur, in der die Rasterrillen auf einer anderen Höhe liegen als die Zwischenstreifen. Das prinzip eines derartigen Rasters ist in Fig. 27 dargestellt. Dieses Raster läßt sich durch eine geeignete Wahl des Verhältnisses zwischen der Breite W&sub1; der Rasterrillen 174 und der Breite W&sub2; der Zwischenstreifen und der Tiefe d der Rasterrillen optimieren. Außerdem kann die Form der Rillen angepaßt werden. Statt der rechteckigen symmetrischen Form der Fig. 27 wird vorzugsweise eine asymmetrische Form verwendet, beispielsweise eine Sägezahnform mit Anstiegsflanken 179 und abfallenden Flanken 178, wie dies in Fig. 28 dargestellt ist, weil damit eine maximale Strahlungsmenge in einer einzigen Ordnung, beispielsweise in der +1.Ordnung, konzentriert werden kann.
Fig. 29 zeigt eine erste Ausführungsform eines Fokusfehlerdetektionssystems, in der die Tatsache benutzt wird, daß ein Fokusfehler zu einer Anderung der Vergenz des an dem Projektionsschirm reflektierten und zum zweiten mal durch die Projektionslinse hindurchgehenden Fokusmeßstrahls führt. In dieser Ausführungsform ist hinter dem Stralteiler 52 ein rotationssymmetrisches Detektionssystem 202 vorgesehen in einer Ebene in einem bestimmten Abstand von der Ebene 200, in der der reflektierte Meßstrahl b' fiktib fokussiert wird, wenn der Strahl b auf den Projektionsschirm D fokussiert ist. Das Detektionssystem ist in Fig. 30 in Draufsicht dargestellt und enthält einen zentralen, auf die optische Achse zentrierten, kreisrunden Detektor 205 mit einem Radius r&sub1; und einen um denselben herum liegenden, ringförmigen Detektor 206 mit einer Breite r&sub2;. Die Detektoren sind durch einen schmalen ringförmigen Streifen 207 voneinander getrennt. Der Querschnitt des Strahles b' an der Stelle des Detektorsystems ist durch einen gestrichelten Kreis 208 angegeben. Die Radien der Detektoren und die Lage des Detektionssystems längs der optischen Achse sind derart gewählt worden, daß wenn der Fokusmeßstrahl b auf den Schirm D scharf fokussiert wird, der Radius r&sub3; des Querschnitts des reflektierten Strahles b' in der Ebene des Detektionssystems einen derartigen Wert hat, daß der Quotient der beleuchteten Oberflächen der Detektoren 205 und 206 einen bestimmten Wert, vorzugsweise 1, hat. In diesem bevorzugten Fall sind dann die Ausgangssignale der Detektoren 206 und 207 einander gleich, so daß das Fokusfehlersignal Sf, das von einem Differenzverstärker 209 wird, dessen Eingängen die Detektorsignale zugeführt werden, gleich Null ist.
Wenn der Abstand zwischen der Quelle 50 und dem Projektionsschirm D größer wird, beispielsweise dadurch, daß der Schirm nach rechts verschoben wird, wird der Durchmesser 208 des Strahles b' größer und der Detektor 206 empfängt eine größere Strahlungsintensität als der Detektor 205. Das Fokusfehlersignal Sf ist dann positiv. Wenn der Abstand zwischen der Quelle 50 und dem Projektionsschirm kleiner wird als in Fig. 29, wird der Durchmesser 208 des Strahls b' kleiner und der Detektor 205 empfängt mehr Strahlungsintensität als der Detektor 206 und das Fokusfehlersignal ist negativ. Auf diese Weise stellen die Größe und das Vorzeichen des Signals Sf die Größe und die Richtung eines Fokusfehlers dar.
Fig. 31 zeigt eine zweite Ausführungsform des Fokusfehlerdetektionssystems, in der die Anderung der Vergenz des reflektierten Strahls bei der Defokusierung benutzt wird. In dieser Figur ist nur der Strahlungsweg des reflektierten Fokusmeßstrahls hinter dem Strahlteiler 52 dargestellt. In diesem Strahlungsweg ist ein kegewörmiges Element 210 mit kreisrundem Querschnitt vorgesehen. Dieses Element sorgt zusammen mit dem Projektionslmsensystem dafür, daß der Strahl b' in der Ebene der Detektoren 205 und 206 einen ringlörmigen Querschnitt hat. In den Figuren 32a, 32b und 32c ist der ringförmige Strahlungsflecken durch die gestichelten Kreise 215 und 216 dargestellt, die den Innenumfang und den Außenumfang des Fleckens angeben. Der Außenradius des zentralen Detektors 205 und der Innenradius des Außendetektors 206 sind derart an den Strahl b' angepaßt, daß bei einer einwandfreien Fokussierung des Strahls b am Schirm D die zwei Detektoren gleich viel Strahlung erhalten; wie dies in Fig. 32a dargestellt ist. Wenn der Strahl b in einer Ebene vor dem Schirm D fokussiert wird, wird der ringförmige Flecken in der Ebene der Detektoren kleiner und der zentrale Detektor 205 erhält mehr Strahlung als der Außendetektor 206; wie dies in Fig. 32b dargestellt ist. Umgekehrtes, dargestellt in Fig. 32c, ist der Fall, wenn der Strahl b in einer Ebene unmittelbar hinter dem Schirm D fokussiert ist. Dadurch, daß auf analoge Weise wie in Fig. 29 die Ausgangssignale der Detektoren 205 und 206 voneinander subtrahlert werden, wird das Fokusfehlersignal erhalten.
Eine dritte Ausführungsform des Fokusfehlerdetektionssystems aufba sis des prinzips nach den Fig. 29-33 ist in Fig. 33 dargestellt. In dieser Ausführungsform sind in dem Strahlungsweg hinter dem Strahlteiler 52 nacheinander ein Strahlspalter 220, der die Hälfte des Strahl b' als Strahl b'a zu einem ersten Detektor 222 hin reflektiert und ein Reflektor 221, der die andere Hälfte des Strahls b'b zu einem zweiten Reflektor 223 hin reflektiert. Vor den Detektoren 222 und 223 sind Blenden 224 und 225 mit gleichen Öffhungen vorgesehen. Der Strahl b'a wird in einer Ebene hinter der Blende 224 fokussiert, während der Strahl b'b in einer Ebene vor der Blende 225 fokussiert wird. Die Lagen dieser Ebenen und damit die von den Öffhungen der in derselben Ebene befindlichen Blenden 224 und 225 zu den Detektoren 222 und 223 hin durchgelassenen Strahlungsmengen werden durch das Ausmaß der Fokussierung des Fokusmeßstrahls b am Projektionsschirm D bestimmt. Es kann wieder dafür gesorgt werden, daß, wenn der Fokusmeßstrahl scharf auf den Projektionsschirm D fokussiert ist, die Detektoren 222 und 223 die gleiche Menge Strahlung erhalten. Beim Auftritt eines Fokussierfehlers erhält einer der Detektoren mehr oder weniger Strahlung als der andere, je nach der Größe und der Richtung des Fehlers. Das Fokusfehlersignal Sf wird wieder dadurch erhalten, daß die Ausgangssignale der Detektoren 222 und 223 mit Hilfe eines Differenzverstärkers 209 voneinander subtrahiert werden.
In Fig. 34 ist das Prinzip einer weiteren Klasse von Fokusfehlerdetektionssystemen dargestellt. Dabei wird ein schmaler Fokusmeßstrahl benutzt, der exzentrisch durch des Projektionslinsensystem C hindurchgeht. Dieser Strahl wird beispielsweise von einer Strahlungsquelle 50 geliefert, die neben der Bildwiedergabeplatte 28 angeordnet ist. Das Projektionslinsensystem C erzeugt von der Bildwiedergabeplatte eine Abbildung 28' am Projektionsschirm D und von der Strahlungsquelle 50 eine Abbildung 55 neben der Abbildung 28'. Von dem von der Quelle 50 ausgestrahlten und die Abbildung 55 erzeugenden strahl b sind nur der Hauptstrahl Bildprojektionsanordnung und der Anfang und das Ende der Randstrahlen bb,1 und bb,2 dargestellt.
Von dem Projektionsschirm spekular reflektierte Strahlung bildet einen Strahl mit dem Hauptstrahl bp,1, wobei dieser Strahl nicht mehr durch das Projektionslinsensystem C hindurchgeht. Ein wesentlicher Teil aber des Strahles b wird diffus reflektiert, wie durch die kurzen Pfeile von dem Punkt 55 angegeben ist. Ein Teil der diffus reflektierten Strahlung wird von dem Projektionslinsensystem C abgefangen. Dieser Strahlungsteil bildet einen Strahl, dessen hauptstrahl durch bp' bezeichnet ist. Das System ist derart eingerichtet, daß, wenn, wie in Fig. 34 dargestellt, der Abstand zwischen der Bildwiedergabeplatte 28 und dem Projektionsschirm einwandfrei ist, d.h., wenn der Fokusmeßstrahl b scharf auf den Projektionsschirm fokussiert ist, die mit dem Strahl, dem der hauptstrahl bp' zugeordnet ist und durch das Projektionsimsensystem erzeugte Abbildung 56 mit der Strahlungsquelle 50 zusammenfällt. Ist der Projektionsschirm D in die Lage P&sub2; verschoben, dann ist die Neuabbildung des Fleckens 57 gegenüber der Strahlungsquelle 50 aufwärts verschoben. Dadurch, daß in der Z-Richtung der Fig. 34 gesehen, über und unter der Strahlungsquelle 50 ein strahlungsempfindlicher Detektor vorgesehen wird, und die Differenz der Ausgangssignale dieser Detektoren bestimmt wird, lassen sich die Größe und die Richtung eines Fokusfehlers ermitteln.
Vorzugsweise ist jedoch, wie in Fig. 34 angegeben, in dem Weg des Fokusmeßstrahls b ein teilweise durchlässiges Element 230 vorgesehen, das einen Teil des reflektierten Meßstrahls zu zwei strahlungsempfindlichen Detektoren 231 und 232 hin reflektiert. Von ihnen sind die Ausgänge mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 233 verbunden. Das Ausgangssignal Sf desselben wird durch die Lage des Schwerpunktes der Strahlungsverteilung an den Detektoren und folglich durch den Fokusfehler bestimmt.
In dem Schaltbild des sog. Fokusmeßverfahrens mit dem exzentrischen Strahl nach Fig. 34 trifft der Hauptstrahl bp des Fokusmeßstrahls parallel zu der optischen Achse des Projektionslinsensystems C auf dieses System. Vorzugsweise wird jedoch dafür gesorgt, daß beispielsweise dadurch, daß die Strahlungsquelle 50 etwas gedreht wird oder dadurch, daß vor die Strahlungsquelle ein Keil gestellt wird, so daß der Hauptstrahl bp schief auf das Projektionslinsensystem trifft. Das dann verwirklichte sog. Schiefstrahlverfabren hat gegenüber den oben beschriebenen Verfahren den Vorteil, daß fast keine Meßstrahlung von Projektionslinsenelementen unmittelbar zu den Fokusfehlerdetektoren reflektiert wird, so daß das Fokusfehlersignal einen guten Rauschabstand hat.
In Fig. 35 ist eine weitere Ausführungsform des Fokusfehlerdetektionssystems dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von allen anderen darin, daß nur ein Detektor verwendet wird und daß ein sich periodisch änderndes Detektorsignal erzeugt wird, dessen Frequenz, Phase und Amplitude ein Maß für das Vorzeichen und die Größe der Defokussierung ist. Dieses periodische Signal wird beispielsweise dadurch erhalten, daß man die Strahlungsquelle 50 periodisch mit einer geringen Amplitude bewegen läßt. Wie in Fig. 35 angegeben, kann die Strahlungsquelle dazu auf einem piezoelektrischen Element vorgesehen sein, das mit einer periodischen Spannung VD aus einer Quelle 241 erregt wird, wodurch die Strahlungsquelle sich periodisch und mit geringer Amplitude längs der optischen Achse (X-Achse) des Projektionslinsensystems C verlagert. Das von diesem System erzeugte Bild 55 des Diodenlasers 50 verlagert sich dann periodisch längs der X-Achse, wodurch die Amplitude des Detektorsignals So periodisch schwankt.
Fig. 36 zeigt die Wirkungsweise des Fokusfehlerdetektionssystems nach Fig. 35 anhand von fünf Diagrammen. Das erste Diagranun, durch So1 bezeichnet, zeigt den Verlauf der Amplitude Am des Detektorsignals als Funktion der Lage X des Projektionsschirms D, wenn die Spannungsquelle 241 ausgeschaltet ist. Die Amplitude ist maximal, Am,0, wenn der Schirm sich an der Steile der Abbildung 55 der Strahlungsquelle 50 befindet, d.h., wenn der Fokusmeßstrahl b auf dem Schirm fokussiert ist. Die Amplitude wird kleiner bei Defokussierung und nimmt den Wert Am,1 bzw. Am,2 an, wenn der Schirm sich in die Lage X&sub1; bzw. X&sub2; auf nur einer Seite des Bildes 55 verschiebt. Bei Verschiebung des Schirms in die Lage -X&sub1; bzw. -X&sub2; auf der anderen Seite des Bildes 55 wird die Amplitude des Detektorsignals Am,-1 bzw. Am,-2.
In dem unteren Teil der Fig. 36 ist der Verlauf der Spannung VD, mit der der Strahlungsquellenaktuator 240 erregt wird, als Funktion der Zeit t dargestellt. Diese Spannung hat eine Periode T. Je nach der Lage des Schirms wird die durch die Spannung VD verursachte periodische Verlagerung des Bildes 55 einen anderen Effekt auf das Detektorsignal haben. Dieses Signal wird, wie in Fig. 35 dargestellt, einem Filter 243 zugeführt, das nur den Wechselspannungsanteil durchläßt. In dem rechten Teil der Fig. 36 ist das gefilterte Detektorsignal S&sub0;,&sub2;, das erhalten wird, wenn der Fokusmeßstrahl b auf dem Projektionsschirm fokussiert ist, dargestellt. Die periodische Lagenmodulation des Bildes 55 führt dazu, daß der anfangs auf dem Schirm fokussierte Strahl zunächst defokussiert wird, daraufhin wieder fokussiert wird, dann wieder defo kussiert wird usw. Das gefilterte Detektorsignal S0,2 hat dadurch eine Periode T/2 und folglich eine Frequenz, die der doppelten Frequenz der Spannung VD entspricht. Befindet sich der Schirm an der Stelle X&sub1;, so führt die Spannung VD dazu, daß die Defokussierung wechselweise kleiner und größer wird. Das gefilterte Ausgangssignal S0,3, das dann erhalten wird, hat eine Frequenz, die der der Spannung VD entspricht und eine Amplitude, die von der Lage X&sub1; abhängig ist. Befindet sich der Schirm in der Lage -X&sub1;, d.h., daß die Defokussierung gleich groß aber derjenigen entgegengesetzt ist, die mit dem Schirm in der Lage X&sub1; erhalten wird, dann wird ein gefiltertes Detektorsignal S0,4 erhalten, das dieselbe Frequenz und Amplitude hat wie das Signal S0,3, dann aber um 180º phasenverschoben.
In einer synchronen Detektionsschaltung 244, Fig. 35, wird das gefilterte Detektorsignal mit dem Signal VD verglichen. Wenn die beiden Signale eine unterschiedliche Frequenz haben, gibt es keinen Fokusfehler. Sind die Frequenzen einander gleich, dann tritt eine Defokussierung auf, deren Vorzeichen durch einen Vergleich der Phase des gefilterten Detektorsignals (S0,3 oder S0,4) mit der des Signals VD ermittelt wird und deren Größe durch die Amplitude des Signals S0,3 oder S0,4 gegeben wird.
Mit dem von der synchronen Detektionsschaltung gelieferten Fokusfehlersignal läßt sich wieder das Projektionslinsensystem nachregeln.
Damit dieses Fokusfehlerdetektionssystem durchgeführt werden kann, muß die Größe der strahlungsempfindlichen Oberfläche des Detektors 242 der der Abbildung 56 entsprechen, für den Fall, daß der Fokusmeßstrahl auf dem Schirm D fokussiert ist. Es ist auch ein Detektor mit einer größeren Oberfläche verwendbar, insofern in der Ebene, in der die Abbildung 56 erzeugt wird, bei Fokussierung des Meßstrahls b am Schirm D eine Blende, in Fig. 35 durch 245 bezeichnet, mit einer angepaßten Öffnung vorgesehen wird. Dann kann, statt des Diodenlasers 50 die Blende periodisch in einer Richtung parallel zu dem Hauptstrahl des auftreffenden Strahles verlagert werden.
Es kann erwünscht sein, im Zusammenhang mit einer verbesserung des Rauschabstandes in den obengenannten Fokusfehlerdetektionssystemen ein periodisch moduliertes Fokusfehlersignal zu erzeugen. Dazu kann in diesen Systemen ein in dem Strahlungsweg bereits vorhandenes Element periodisch verlagert oder es kann ein zusätzliches Element in dem Strahlungsweg vorgesehen werden, das mit einem periodischen Steuersignal erregt wird und dessen Effekt letztendlich ist, daß die von den Detektoren aufgefangene Strahlung sich periodisch ändert. Auf diese Weise kann in dem System nach Fig. 34 beispielsweise die Strahlungsquelle 50 oder die Detektoren 231 und 232 periodisch verlager werden. In dem System nach Fig. 33 können beispielsweise die Blenden 224 und 225 periodisch synchron verlagert werden.
In den Systemen nach den Fig. 17-19, 21, 25 und 26, wobei das Prinzip der Foucault-Fokusfehlerdetektion angewandt wird, kann das Foucaultmesser oder ein alternatives Element: der Keil 125, 142 oder 150 oder aber das Raster 170 periodisch verlagert werden. In den astigmatischen Fokusfehlerdetektionssystemen nach den Fig. 4, 7, 9, 11-16 können die astigmatischen Elemente 60, 65, 90, 91, 100, 105, 110, 111 oder 112 periodisch verlagert werden.
In Fig. 37 ist das Prinzip einer weiteren Klasse von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fokusfehlerdetektionssystems dargestellt. In dieser Klasse wird eine reflektierende Oberfläche verwendet, die in dem sog. Grenzwinkel vorgesehen ist. In dem Weg des am Projektionsschirm D reflektierten und von dem Strahlteiler 52 ausgekoppelten Meßstrahls b' ist eine Linse 250 vorgesehen mit einer derartigen Stärke und an einer derartigen Stelle, daß, wenn der Fokusmeßstrahl b an dem Schirm D fokussiert ist, der Strahl b' in einen parallelen Strahl b" umgewandlet wird. Hinter der Linse 250 ist ein Element 251, beispielsweise eine Platte mit einer derartigen Brechzahl und in einem Winkel Ψ mit dem Hauptstrahl des Strahles b", der gerade etwas größer ist als der Grenzwinkel, vorgesehen. Dann wird bei Fokussierung des Strahls b am Schirm der parallele Strahl b" völlig zu den zwei Detektoren 254 und 255 reflektiert, die gegenüber dem Hauptstrahl des Strahles b" symmetrisch angeordnet sind. Der Grenzwinkel eg wird gegeben durch:
in der n&sub1; die Brechaahl des Materials 252 des Elementes 251 ist und n&sub2; die Brechzahl des umgebenden Mediums ist. Wenn der Strahl b" gut kollimiert ist, d.h., wenn der Fokusmeßstrahl auf dem Schirm fokussiert ist, empfangen die beiden Detektoren dieselbe Strahlungsmenge und sind die Ausgangssignal einander gleich. Wenn der Schirm sich in der Lage P&sub2; befindet, hat sich die Vergenz des auf die Linse 250 treffenden Strahles geändert, wie durch gestrichelte Linien über der Linse 250 angegeben ist. Der aus der Linse 250 austretende Strahl ist dann divergierend, wie durch die gestrichelten Linien unterhalb der Linse 250 angegeben ist. Von der Strahlung in der rechten Hälfte des Strahles b" trifft dann ein Teil auf das Element 251 in einem Winkel, der kleiner ist als der Grenzwinkel, so daß diese Strahlung nicht mehr zu dem Detektor 255 hin reflektiert wird. Die Strahlung in der linken Hälfte des Strahles b" trifft auf das Element 251 in einem Winkel, der größer ist als der Grenzwinkel, so daß diese Strahlung völlig zu dem Detektor 254 hin reflektiert wird. Die Strahlungsmenge auf dem Detektor 255 ist dann kleiner als die auf dem Detektor 254, so daß das von dem Differenzverstärker 256 gelieferte Fokusfehlersignal Sf negativ ist. Umgekehrtes tritt auf, wenn der Projektionsschirm in die Lage P&sub3; gebracht wird. Dann ist der auf die Linse 250 treffende Strahl b' divergierend und der aus der Linse heraustretende Strahl konvergierend, so daß die Strahlung des linken Teils dieses Strahles nicht mehr völlig zu dem Detektor 254 hin reflektiert wird und das Signal Sf negativ ist.
Für Eintreffwinkel in der Nähe des Grenzwinkels ändert sich die Reflexion des Elementes 250 schroff und weist eine Diskontinuität auf bei einem dem Gernzwinkel entsprechenden Eintreffwinkel. Vorzugsweise besteht das Element 251 aus emem Substrat 252 und einer Anzahl darauf angebrachter dichroitischer Schichten. Für ein solches Schichtenpäket ändert sich der Reflexionskoefflzient kontinuierlich als Funktion des Eintreffwinkels für ein bestimmtes Gebiet von Eintreffwinkel einschließlich des Grenzwinkels. Dann brauch an die Lage des Elementes 251 weniger hohe Anforderungen gestellt zu werden.
In den Foucault-Fokusfehlerdetektionssystemen nach den Fig. 17-19, 21, 25 und 26 ist das Foucaultmesser oder ein alternatives Element, wie ein Keil oder ein Rsster, in dem Weg des an dem Projektionsschirm reflektierten Fokusmeßstrahls vorgesehen. Es ist aber auch möglich, wie in Fig. 38 dargestellt, ein Foucaultmesser 260 bei der Strahlungsquelle 50 anzuordnen, und zwar derart, daß dieses Messer wenigstens eine Hälfte des Meßstrahls b sperrt, so daß dieser Strahl asymmetrisch ist. Der an dem Projektionsschirm D reflektierte und von dem Strahlteiler 52 getrennte Strahl b' bildet einen Strahlungsflecken 56 am Detektorenpaar 121, 122. Es ist däfür gesorgt, daß falls der Meßstrahl b am Schirm fokussiert ist, d.h. falls der Projektionsschirm sich in der Lage P&sub1; befindet, der Strahlungsflecken gegenüber den Detektoren symmetrisch liegen, so daß die beiden Detektoren eine gleich Strahlungsmenge erhalten. Wenn Defokussierung auftritt, wird der Strahlungsflecken asymmetrisch größer, so daß einer der Detektoren eine zunehmende Strahlungsmenge empfängt und der andere eine abnehmende Menge. In Fig. 39, ist der Strahlungsflecken 56, dargestellt, der gebil;det wird, wenn der Projektionsschirm D sich in der Lage P&sub2; befindet und in Fig. 39c der Strahlungsflecken 56c, der gebildet wird, wenn der Schirm D sich in der Lage P&sub3; befindet. Die Detektoren 121 und 122 sind wieder mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 123 verbunden, dessen Ausgangssignal das Fokusfehlersignal ist.
In Fig. 40 ist eine weitere Ausführungsform des Foucault-Fokusfehlerdetektionssystems dargestellt. In diesem Fall wird die Tatsache benutzt, daß ein Diodenlaser auf der Rückseite auch Strahlung sendet. Der Diodeniaser so ist derart auf einem Träger 270 angeordnet, daß die Mitte der aktiven Schicht in derselben Ebene liegt wie die Oberseite 271 des Trägers, so daß diese obere Seite als Foucault-Messer für den auf der Rückseite austretenden Laserstrahl b" wirksam ist. Der auf der Vorderseite des Diodenlasers 50 ausgesendete Meßstrahl b wird nach Reflexion am Schirm als Strahl b' wieder in den Diodenlaser hineinfokussiert. Bei Verlagerung des Schirms D verlagert sich auch der Brennpunkt des Strahls b' und auch der Ursprungspunkt des Strahls b". Die obere Seite 271 des Trägers 270 sorgt dafür, daß bei Verlagerung des Ursprungs des Strahls b" die Strahlungsverteilung des mit diesem Strahl an den Detektoren 121 und 122 erzeugten Strahlungsfleckens 275 sich ändert, so daß auch die Ausgangssignale dieser Detektoren sich ändern. In Fig. 40 ist die Situation angegeben, daß der Strahl b auf dem Schirm D fokussiert ist. Dann ist der Strahlungsflecken gegenüber den Detektoren 121 und 122 symmetrisch und das Ausgangssignal Sf des Differenzverstärkers 123, dessen Eingänge mit den Ausgängen der Detektoren verbunden sind, gleich Null.
Fig. 41 zeigt eine Ausführungsform eines Foucault-Fokusfehlerdetektionssystems mit einer reflektierenden Form des Foucault-Messers. Dieses Messer wird durch ein Element 280 gebildet, das aus einem Teil 281 besteht, der Strahlung zu einem Detektor 121 durchläßt und einem Teil 282, der Strahlung zu einem Detektor 122 hin reflektiert. Zwischen den Teilen 281 und 282 gibt es eine scharfe Trennung 283. Wenn der Strahl b auf dem Schirm D fokussiert ist und der reflektierte Fokusfehlerstrahl b' auf der Trennung 283, ist die durchgelassene Strahlungsmenge gleich der reflektierten Strahlungsmenge. Bei Defokussierung ändert sich das Verhältnis zwischen der durchgelassenen und der reflektierten Strahlung und damit das Verhältnis der Ausgangssignale der Detektoren 121, 122, also des Signals Sf, je nach der Größe und Richtung des Fokusfehlers.

Claims

1. Bildprojektionsanordnung mit einem Bildwiedergabesystem mit mindestens einer Bildwiedergabeplatte (20, 27, 28) zum Erzeugen eines zu projizierenden Bildes, einem Projektionslinsensystems (c) zum Pojizieren des von dem Bildwiedergabesystem gebildeten Bildes an einem Projektionsschirms (D) und einem Fokusfehlerdetektionssystem (S), das mit einer Hilfsstrahlungsquelle (50) versehen ist, die einen Fokusmeßstrahl liefert, und mit einem strahlungsempfindlichen Detektionssystem (51) zum Umwandeln an dem Projektionsschirm reflektierter Strahlung des Fokusmeßstrahls in ein Fokusfehlersignal (57), dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsstrahlungsquelle in einer Ebene liegt, die von dem Projektionslinsensystem aus gesehen, mit der Ebene der genannten wenigstens einen Bildwiedergabeplatte zusammenfällt und einen Fokusmeßstrahl sendet, dessen Strahlung auf ihrem Weg von der Strahlungsquelle zu dem Detektionssystem über den Schirm zweimal durch das Projektionslmsensystem hindurchgeht, und daß das Detektionssystem in einer Ebene vorgesehen ist, die von dem Projektionssystem aus gesehen, auf effektive Weise mit der Ebene der Hilfsstrahlungsquelle zusammenfällt.

2. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 1, wobei das Projektionslinsensystem eine Gummilinse ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Fokusfehlersignal einem Aktuator (7) für eine einstellbare Linsengruppe (61) der Gummilinse zugeführt wird.

3. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsstrahlungsquelle sich in der Ebene der Bildwiedergabeplatte außerhalb dieser Platte befindet.

4. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfsstrahlungsquelle in einer Ebene liegt, welche die gespiegelte Ebene der Ebene einer Bildwiedergabeplatte gegenüber einem teilweise durchlässigen Reflektor (22) ist, die mit der optischen Achse des Projektionslinsensystems einen scharfen Winkel einschließt.

5. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der scharfe Winkel ein Winkel von 45º ist und daß die Hilfsstrahlungsquelle mit der genannten optischen Achse fluchtet.

6. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Teil der Strecke der an dem Projektionsschirm reflektierten Strahlung zwischen dem Projektionslinsensystem und dem Detektor und außerhalb der Strecke des von der Strahlungsquelle ausgestrahlten Fokusmeßstrahles ein astigmatisches Element (60) vorgesehen ist und daß der Detektor ein Vierquadranten-Detektor (65) ist.

7. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das astigmatische Element eine Zylinderlinse ist, deren Zylinderachse sich in einem Winkel von 45º gegenüber den Trennlinien des Quadranten-Detektors erstreckt.

8. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das astigmatische Element durch zwei Zylinderlinsen (90, 91) gebildet ist, die sich hinter einander in dem Strahlungsweg befinden und verschiedene Stärken und zueinander senkrechte Zylinderachsen aufweisen.

9. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das astigmatische Element durch eine transparente Platte (100) gebildet ist, die sich schräg in dem reflektierten Fokusmeßstrahl befindet, wobei diese Platte zwei Flächen aufweist, die in dem Strahlungsweg liegen, wobei eine erste Fläche (101) derselben den von der Strahlungsquelle gesendeten Fokusmeßstrahl zu dem Projektionslinsensystem hin reflektiert.

10. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Fläche (103) der Platte reflektierend ist.

11. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (125) keilförmig ist.

12. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das astigmatische Element durch ein Diffraktionsgitter (110) gebildet wird, dessen Gitterperiode eine linear Variation aufweist.

13. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das astigmatische Element durch ein Diffaktionsgitter (111) gebildet wird, das schräg in dem reflektierten Fokusmeßstrahl vorgesehen ist.

14. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (111) ein Transmissionsgitter ist.

15. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (112) ein reflektierendes Gitter ist.

16. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Ebene, in der der reflektierte Fokusmeßstrahl von dem Projektionsschirm fokussiert wird, wenn der Fokusmeßstrahl auf dem Schirm fokussiert wird, ein Strahlungssperrelement (120) vorgesehen ist, wobei dieses Element etwa die Hälfte des reflektierten Fokusmeßstrahls abdeckt und daß der Detektor zwei Detektionselemente (121, 122) aufweist, die an verschiedenen Seiten der Hauptachse des reflektierten Fokusmeßstrahls liegen.

17. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nähe der Strahlungsquelle ein Absorptionselement (120), das etwa die Hälfte des Fokusmeßstrahls bedeckt, vorgesehen ist und daß der Detektor zwei Detektionselemente (121, 122) aufweist, die an verschiedenen Seiten der Hauptachse des reflektierten Fokusmeßstrahls liegen.

18. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in demjenigen Teil der Strecke des reflektierten Fokusmeßstrahls zwischen dem Projektionslinsensystem und dem detektor und außerhalb der Strecke des von der Strahlungsquelle gesendeten Fokysmeßstrahls ein Strahlteilerelement (125, 142), das den reflektierten Fokusmeßstrahl in zwei räumlich getrennte Strahlhälften aufteilt, vorgesehen ist, und daß der Detektor wenigstens drei Detektionselemente (130, 131, 132, 133) aufweist, die durch wenigstens zwei Streifen voneinander getrennt sind, wobei die auf beiden Seiten des ersten Streifens liegenden Detektionselemente eine erste Strahlhälfte empfangen und die Detektionselemente auf beiden Seiten des zweiten Streifens die zweite Strählhälfte empfangen.

19. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Strablteilelement durch ein Dachprisma (142) gebildet wird, dessen Rippe den Hauptstrahl des reflektierten Fokusmeßstrahls schneidet.

20. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma auf einem Strahlspaltelement (140, 141) vorgesehen ist, das den reflektierten Fokusmeßstrahl von dem von der Strahlungsquelle gesendeten Fokusmeßstrahl trennt.

21. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlspaltelement durch ein transparentes Element (150) gebildet ist, das zwei Teile aufweist mit einer gemeinsamen Basisfläche (158) und oberen Fläche (154, 155), die gegenüber der Basisfidäche je eine andere Schräge haben, wobei der Hauptstrahl des reflektierten Fokusmeßstrahls in der Trennfläche zwischen den Teilen des Elementes liegt.

22. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlspaltelement durch ein Diffraktionsgitter (170) gebildet wird mit zwei Gitterteilen (172, 173), welche die Strahlhälften in verschiedenen Winkeln brechen, wobei die Trennlinie (171) zwischen den Gitterteilen den Hauptstrahl des reflektierten Fokusmeßstrahls schneidet, wobei das Gitter ebenfalls den reflektierten Fokusmeßstrahl von dem von der Strahlungsquelle gesendeten Fokusmeßstrahl trennt.

23. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterperiode des einen Gitterteils von der Gitterperiode des anderen Gitterteils abweicht.

24. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterstreifen des einen Gitterteils sich in einem Winkel gegenüber der Trennlinie erstrecken, der dem Winkel entgegengesetzt ist, in dem sich die Gitterstreifen des anderen Gitterteils sich zu der Trennlinie erstrecken.

25. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der detektor außerhalb der Ebene (200) vorgesehen ist, in der der reflektierte Fokusmeßstrahl fokussiert ist, wenn der Fokusmeßstrahl auf dem Schirm fokussiert ist und daß der Detektor ein erstes kreisrundes Detektionselement (205) aufweist, das sich auf dem Hauptstrahl des reflektierten Fokusmeßstrahls befindet und ein zweites ringfbrmiges Detektionselement (206), dessen Innenradius größer ist als der Radius des ersten Detektionselementes.

26. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Teil der Strecke des an dem Projektionsschirm reflektierten Fokusmeßstrahls zwischen dem Projektionslinsensystem und dem Detektor und außerhalb der Strecke des con der Strahlungsquelle gesendeten Fokusmeßstrahls ein kegelförmiges strahlungsdurchlässiges Element (210) vorgesehen ist, und daß der Detektor ein erstes, kreisförmiges Detektionselement (205) aufweist, das sich auf dem Hauptstrahl des reflektierten Fokusmeßstrahls befindet und ein zweites, ringförmiges Detektionselement (206), dessen Innenradius größer ist als der Radius des ersten Detektionselementes.

27. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor zwei Detektionselemente (222, 223) aufweist, deren Eingangsöffnung in einem ersten bzw. zweiten Abstand von dem Projektionslinsensystem liegt, wobei der erste und der zweite Abstand größer bzw. kleiner ist als der Abstand zwischen dem Projektionslinsensystem und der Ebene, in der der reflektierte Fokusmeßstrahl fokussiert wird, wenn der Fokusmeßstrahl auf dem Projektionsschirm fokussiert wird.

28. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle einen schmalen Fokusmeßstrahl ausstrahlt, der exzentrisch durch das Projektionslinsensystem hindurchgeht, wobei dieses System den reflektierten Fokusmeßstrahl aufflingt und auf den Detektor konzentriert, der zwei Detektionselemente (231, 232) umfaßt.

29. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptstrahl des Fokusmeßstrahls sich in einem scharfen Winkel zu der optischen Achse des Projektionslinsensystems erstreckt.

30. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, gekennzeichnet durch Mittel (240) zur periodischenverlagerung der Quelle des Meßstrahls längs der optischen Achse des Projektionslinsensystems, durch einen einzigen Detektor (242) mit einer derartigen Eintrittsöffnung, daß er eine maximale Strahlungsmenge empfängt, wenn der Fokusmeßstrahl auf dem Projektionsschirm fokussiert ist, und durch eine Signalverarbeitungsschaltung (244), die mit dem Ausgang des Detektors gekoppelt ist zum Vergleichen des Detektorsignals mit einem Steuersignal (241) für die Mittel zur periodischen Verlagerung der Quelle.

31. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Teil der Strecke des reflektierten Fokusmeßstrahls zwischen dem Projektionslinsensystem und dem Detektor und außerhalb der Strecke des von der Strahlungsquelle gesendeten Fokusmeßstrahls ein Element (251) mit einer Brechzalil n&sub1; vorgesehen ist, wobei dieses Element in einem derartigen Winkel Ψ vorgesehen ist, daß, wenn der Fokusmeßstrahl auf dem Projektionsschirm fokussiert ist, die Teilstrahlen des reflektierten Strahles in Winkeln auf das Element treffen, die dem Wert

nahezu entsprechen, wobei n&sub2; die Brechzalil des umgebenden Mediums des Elementes ist und daß der Detektor einzelne Detektionselemente (254, 255) aufweist für die beiden Strahlhälften des reflektierten Fokusmeßstrahls.

32. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Auftreffläche (255) des Elementes aus einer Anzahl dielektrischer Schichten aufgebaut ist.

33. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 1, 2, 3, 4 oder 5, wobei die Strahlungsquelle ein Diodenlaser ist, von dem eine Vorderfläche und eine Rückfläche Strahlung aussenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Diodenlaser derart auf einer ersten Fläche (271) eines Trägers (270) vorgesehen ist, daß die Ebene durch die Mitte der aktiven Schicht mit der zweiten Fläche (272) quer zu der ersten Trägerfläche zusammenfällt, und daß der Detektor zwei detektionselemente (121, 122) aufweist, die in der Nähe der Rückfläche des Diodenlasers liegen.

34. Bildprojektionsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlungssperrelement durch ein Element (280) gebildet ist, wobei eine Hälfte desselben reflektierend (282) und die andere Hälfte strahlungsdurchlässig (281) ist und das eine scharfe Trennung zwischen den beiden Teilen hat, und daß eines (121) der Detektionselemente in dem von dem Element durchlaufenen Strahlungsweg vorgesehen ist und das andere Detektionselement (122) in dem von dem Element reflektierten Strahlungsweg liegt.