DD143323A1

DD143323A1 - Beleuchtungssystem fuer fotografische kopiergeraete

Info

Publication number: DD143323A1
Application number: DD21612078A
Authority: DD
Inventors: Manfred Roessler
Original assignee: Manfred Roessler
Priority date: 1978-12-20
Filing date: 1978-12-20
Publication date: 1980-08-13
Also published as: GB2040431A; DE2949708A1

Description

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Tit_gl_L Beleuchtungssystem für fotografische Kopiergeräte

Anwendungsgebiet der Erfindung;

Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem für fotografie sehe Kopiergeräte, insbesondere für fotolithografische Gerate. Sie kann überall dort verwendet werden, wo es neben einer hohen Beleuchtungsstärke auf gute Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung ankommt.

Charakter der bekannten technischen Lösungen; Um eine bessere Ausnutzung der Energie von Lichtquellen zu erreichen; werden vielfach Reflektoren verwendet, welche das- Licht mit einem bestimmten Öffnungswinkel in eine vorgegebene Richtung reflektieren· In optischen Geräten haben diese Spiegel in erster Linie Kugelkalotten- oder Ellipsoidform«, Bei Verwendung eines Kugelspiegels wird die Licht-« quelle durch diesen in sich selbst abgebildet. Auf Grund der Bedingung

d_L · sin a J₁ = dp . sin _{a 0}

(d_L = Durchmesser des Leuchtfleckes, a-r = halber Öffnungswinkel der Lichtquelle, d™ = Pelddurchmesser in der Objektebene, a - objektseitiger halber Öffnungswinkel des Objektives), der Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle und der konstruktiven Möglichkeiten wird der maximale nutzbare Aperturwinkela _L bzw. der maximal nutzbare Leuchtfleckdurchmesser d-r und damit die Ausnutzung der Lichtenergie begrenzt.

Zusätzliche Versuste treten durch Absorption bei mehrmaligem Durchgang des vom Spiegel reflektierten Lichtes durch den Glaskolben der Lichtquelle auf. Diese Absorptionsverluste machen sich besonders nach längerer Brenndauer stark bemerkbar. Eine Erhöhung des Wirkungsgrades kann durch Verwendung eines Ellipsoidspiegels erreicht werden. Die Lichtquelle, die sich im ersten Brennpunkt befindet, wird in den zweiten Brennpunkt des Spiegels abgebildet. Dadurch entfällt die verstärkte Absorption im Lampenkolben, wie sie beim Kugelspiegel auftritt. Desweiteren kann beim Ellipsoidspiegel bei entsprechender Größe und Form ein bedeutend größerer Raumwinkel erfaßt werden« Von Nachteil ist beim Ellipsoidspiegel der unterschiedliche Abbildungsmaßstab mit dem die Lichtquelle durch jedes Spiegelelement in den zweiten Brennpunkt abgebildet wird. Hier entsteht die Überlagerung der Lichtquellenbilder mit verschiedenen Größen und verschiedenen Aperturen. Die maximale Apertur wird durch den kleinsten Abstrahlwinkel bestimmt, der noch durch den Reflek· tor erfaßt wird. Die maximale Größe des Lichtquellenbildes wird durch den maximalen Abstrahlwinkel bestimmt, der durch den Reflektor erfaßt wird. Die ausnutzbare maximale Größe des Lichtquellenbildes und die maximale Apertur werden jedoch auch hier durch die Sinusbedingung begrenzt.

Unter bestimmten Bedingungen (kleine Objektivapertur, kleines Objektfeld, kleiner erwünschter Kohärenzparameter) kann man entweder nicht die gesamte Apertur oder nicht den gesamten sekundären Leuchtfleck ausnutzen. Dies bedeutet jedoch, daß entweder nicht der minimale Absta?ahlwinkel ausgenutzt wird. Man erhält dann ebenso wie beim Kugelspiegel Lichtverluste durch Nichtausnutzung des gesamten, durch die Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle vorgegebenen Raumwinkels» Eine Verbesserung wird im US-Patent 3*241»440 angegeben. Hier wird nur ein Teil des Raumwinkels vom Ellipsoidspiegel erfaßt und die maximale Apertur des sekun-

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dären Leuchtfleckes somit verkleinert. Um den vollen Raumwinkel auszunutzen, wird dem Ellipsoidspiegel ein Kugelspiegel gegenübergestellt, welcher-die Lampe in sich selbst a.bbildet. ·

Nachteilig wirken sich dabei jedoch' wiederum die zusätzlichen Absorptionsverluste im Lampenkolben aus.

Unreine gleichmäßige Ausleuchtung der Objektebene zu erhalten, werden sehr häufige Wabenkondensoren im Beleuchtungsstrahlengang verwendet.

Hier erfolgt eine Aufteilung des Aperturwinkels in Einzelbereiche und die Erzeugung einer Vielzahl von Lichtquellenbildern in einer definierten Ebene mittels einer Wabenplatte. Die nachfolgende optische Anordnung ist so geartet, daß es in der Objektebene zu einer Überlagerung des von den einzelnen Lichtquellenbildern kommenden Lichtes kommt, und daß die Lichtquellenbilder in die Pupille des nachfolgenden Objektives abgebildet wird. Sollen die der Objektebene korrespondierenden Ebenen die Einzelwaben der Wabenplatte sein, so muß eine zweite Wabenplatte in die Ebene der Lichtquellenbilder gebracht werden» Anderenfalls liegt die korrespondierende Ebene im Unendlichen S. US-Patent 3.241.440). An den Wabenplatten treten jedoch beträchtliche Lichtverluste auf und zwar durch a) Absorptionsverluste im Glas der Einzelwabe

b) Reflexionsverluste an den Grenzflächen

c) Absorptionsverluste an den Flächen zwischen den Einzelwaben.

Besonders bei kreisförmigen Einzelwaben sind die in c) angeführten Verluste sehr groß.

Die im US-Patent 3.225.188 dargelegte Anordnung benutzt einzelne Ringreflekto.ren, welche das Licht in einer vorgegebenen Ebene zur gleichmäßigen Überlagerung bringen. Die Ausnutzung des von der Lichtquelle beleuchteten Raumwinkels ist jedoch infolge der Anordnung der Reflektorringe :.stark eingeschränkt.

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Durch die Erfindung aoll die Energie der Lichtquelle besser ausgenutzt werden, so daß bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Beleuchtungssystems in fotolithografischen Kopier- geräten die Belichtungszeiten gesenkt werden können. Damit trägt die Erfindung zur Steigerung der Arbeitsproduktivität derartiger Geräte bei· Darlegung des Wesens der Erfindung; Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, daä Beleuchtungssystem so auszubilden, daß der Reflektor einen möglichst großen Raumwinkel erfaßt und daß das von den Lichtquellenbildern kommende Licht so gemischt wird, daß in einer festgelegten Ebene eine gleichmäßige Ausleuchtung über einen bestimmten Bereich erfolgt.

Die Merkmale der Erfindung werden anhand der in der Zeichnung dargelegten Ausführungsbeispiele beschrieben.

Ausführungsbeispiele:

Die genannten Nachteile der angegebenen Reflektortypen und des Wabenkondensors können beseitigt werden durch den Einsatz von speziellen Reflektorformen, welche gleichzeitig, als Wabenplatte wirken (s. Abb. 1). Der Reflektor hat dabei die Aufgabe, einen möglichst großen Raumwinkel zu erfassen, diesen in verschiedene Bereiche zu teilen und eine Vielzahl von Lichtquellenbildern zu erzeugen.

Als Hüllflächen 2, welche die Lichtquelle 1 umfassen, kommen folgende Forman in Frage:

Ellipsoid (Rotationskurve ist Ellipse) Hyperboloid (Rotationskurve ist Hyperbel) Paraboloid (Rotationskurve ist Parabel) Diese Hüllflächen bilden die Lichtquellen definiert ab, wenn sich diese in einem Brennpunkt der Flächen befinden. Sie teilen den von der Lichtquelle beleuchteten Raumwinkel jedoch nicht, um eine größere Anzahl Lichtquellenbilder zu schaffen. Dies kann nur durch eine stückweise Veränderung der Hüllfläche erfolgen.

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Die Teilreflektoren 3 können dabei Ellipsoidstücke, Hyperboloidstücke, Paraboloidsfdcke oder ebene Spiegel sein, wobei die reflektierende Fläche und die Hiillfläche in einem Punkt tangential aneinander liegen. Jeder Teilreflektor bildet die Lichtquelle in eine bestimmte Fläche E ab, wobei er das Licht eines bestimmten Raumwinkelbereiches nutzt. Es entsteht somit eine Vielzahl von Lichtquellenbildern. Durch die nächfolgende optische Anordnung wird eine Durchmischung des von den Einzellichtquellen kommenden Lichtes erreicht» Die Geometrie der Hiillfläche und die dem Reflektor nachgestellte optische Anordnung bestimmt die Lage der Ebene, in welcher die Durchmischung des von den Einzellichtquellen kommenden Lichtes erfolgt· Eine Möglichkeit unter Verwendung einer Wabenplatte 4 und zwei Linsen 5» 6 zeigt Abb. 2. Um eine Rotationssymmetrie der Anordnung zu erreichen, kann die Veränderung an der die Hiillfläche erzeugenden Rotationskurve (im folgenden Hüllkurve genannt) vorgenommen werden. Die Hüllkurve wird in i-Teile zerlegt. Jedes Teilstück wird ersetzt durch eine andere Kurvenform, wobei ein Punkt des neuen Kurvenstückes (im folgenden Abbildungskurve genannt) auf der Hüllkurve· liegt und beide Kurven in diesem Punkt tangential aneinander liegen. Als Abbildungskurven eignen sich Geraden, Hyperbeln, Parabeln und Ellipsen. Daraus ergeben sich 11 verschiedenartige Kombinationsmöglichkeiten von Hüllkurven und Abbildungskurven. Die Kombination Parabel-Parabel entfällt, da in diesem Fall die Kurven identisch sind. Die Abbildungskurven bestimmen dabei die Lage der Lichtquellenbilder und die Hüllkurve bestimmt den Ort der Überlagerung des von den Lichtquellenbildern kommenden Lichtes. In den Abbildungen 3 bis 13 sind die verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten dargestellt.

Dabei bedeutet 7-Hüllkurve, 8-Abbildungskurve, 9-Rotationsachse = optische Achse, 1-Lichtquelle

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I) :· . η

Hüll- Abbil- Ellipse Hyperbel Gerade Parabel Ort d. Überkurve dungs» lagerung (F)

kurve

Ellipse	Abb.	3	Abb.	6	Abb.	9	Abb	.1	2	im	Reellen
Hyperbel	Abb.	4	Abb.	7	Abb.	10	Abb	.1	3	im	Virtuellen
Parabel	Abb.	5	Abb.	8	Abb.	11	Abb	•	-	im	Unendlichen

O ω •η <ϋ

•Η

O) β

0> r-t ro a

-P •Η

	ω
ω	Xl
H	ο
H	•Η
ω	H
Ρ
	CD
β	Θ
•Η	•Η

Infolge der Rotationsaymmetrie des Reflektors erhält man als Lichtquellenbilder i konzentrische Ringe. Diese Ringe stellen eine Überlagerung von unendlich vielen Lichtquellenbildern dar. In Rotationsrichtung können somit auch große Intensitätsschwankungen über den Raumwinkel ausgeglichen werden. Die Möglichkeit des Ausgleichs in der zur Rotation senkrechten Richtung ist gegeben durch die Zahl der verschiedenen Abbildungskurven.

Das dem Reflektor nachfolgende optische System muß derart aufgebaut sein, daß die Fläche E auf der sich die Lichtquellenbilder befinden, in die Pupille des Objektivs abgebildet wird und daß die Fläche F, in der sich die von den Lichtquellenbildern kommenden Lichtstrahlen überlagern, in die Objektebene abgebildet werden. Dazu kann wie beim Wabenkondensor in die Ebene der Lichtquellenbilder ein spezielles Abbildungssystem gebracht werden« Eine Möglichkeit zeigt die Abb. 14« Das Abbildungssystem besteht au3 einem Ringlinsensystem 10 und zwei als Kondensor wirkenden Linsen 11, 12. 9 ist dabei die Achse der Rotationssymmetrie.

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Das Ringlinsensystem bewirkt, daß im Endlichen liegende Ebenen in die Objekt ebene 0 abgebildet werden. Die Fläche der Lichtquellenbilder E muß dabei im Reellen liegen. Lichtquellenbilder im Virtuellen müssen erst durch · eine entsprechende optische Anordnung ins Reelle transformiert werden. Die Fläche E wird mittels der Linsen 11, 12 in die Pupillenebene P abgebildet.

Alle genannten Reflektoranordnungen haben die Vorteile, daß ein großer Raumwinkelbereich erfaßt wird, und daß - gegenüber dem Wabenkondensor - eine Wabenplatte durch den Reflektor ersetzt wird, wodurch die Lichtverluste ver~ ringert werden.

Die Größe und der maximale Aperturwinkel der sekundären Lichtquelle sind abhängig von den Parametern der HUIlkurve und der Abbildungskurve. Für kleine geforderte Werte von d-r . sin aτ ist die Verwendung einer Parabel als Hüll- und einer Hyperbel als Abbildungskurve günstig. Dadurch, daß die Lichtquellenbilder im Virtuellen liegen, kann der Aperturwinkel stark verkleinert werden, ohne daß die Baulänge des Beleuchtungssystems sehr groß wird.

Eine Verkleinerung des Wertes dj . sina-r kann durch einen sphärischen Spiegel 14 erreicht werden, welcher dem neuen Reflektorsystem 13 gegenübergestellt wird, so daß ein Teil des beleuchteten Raumwinkelbereiches vom sphärischen Spiegel erfaßt wird (s. Abb. 19).

Durch eine entsprechende Verspiegelung kann das Reflektorsystem wellenlängenselektierend wirken, so daß eine unnötige thermische Belastung des nachfolgenden optischen Systems vermieden werden kann.

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Claims

Ansprüche

1. Ein Beleuchtungssystem für fotografische Kopiergeräte, insbesondere für fotolithografische Geräte, bestehend aus einer Lichtquelle, einem Reflektor und einem nach-' folgenden optischen System, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilung des gesamten von der Lichtquelle beleuchteten Raumwinkels in verschiedene Bereiche mittels eines Reflektors erfolgt, wobei jeder dieser Bereiche des Reflektors ein Lichtquellenbild erzeugt, die einzelnen Lichtquellenbilder räumlich vonainander getrennt sind und das von den verschiedenen Libhtquellenbildern auegehende Licht in einer festgelegten Ebene überlagert wird.
2. Ein Beleuchtungssystem nach Pkt. 1, gekennzeichnet da-' durch, daß die Reflektorfläche zusammengesetzt ist aus

Einzelreflektoren, welche eine gemeinsame Hüllfläche • haben.
3. Eine Anordnung nach Pkt. 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Einzelreflektoren Ellipsoidstücke sind.

4* Eine Anordnung nach Pkt. 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Einzelreflektoren Paraboloidstücke sind.

5« Eine Anordnung nach Pkt. 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Einzelreflektoren Hyperboloidstücke sind.
6. Eine Anordnung nach Pkt. 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Einzelreflektoren ebene Spiegel sind.
7. Eine Anordnung nach Pkt. 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Hüllfläche ein Ellipsoid ist.'
8. Eine Anordnung nach Pkt. 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Hüllfläche ein Paraboloid ist.

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9. Eine Anordnung nach Pkt. 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Hüllfläche ein Hyperboloid ist,
10. Ein Beleuchtungasystern unter Verwendung eines Reflektors nach Fkt. 2, gekennzeichnet dadurch, daß in der Ebene der Lichtquellenbilder eine Anordnung von Linsen derart angebracht wurde, daß in jede Linse ein Lichtquellenbild projeziert wird und das Linsensystem die Aufgabe hat, allein oder zusammen mit einem nachfolgenden optischen System definierte Ebenen im End« liehen in die Objektebene abzubilden.
11. Eine Anordnung nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Reflektorfläche-eine Rotationsfläche ist, deren Drehachse die optische Achse darstellt und die erzeugende Kurve zusammengesetzt ist aus zwei oder mehr Bogenstücken und die Hüllkurve in ihrem Berührungspunkt tangential aneinander liegen.
12. Ein Beleuchtungssystem unter Verwendung eines Reflektors nach Pkt. 11, gekennzeichnet dadurch, daß in der Ebene der Lichtquellenbilder eine Anordnung von Ringlinsen derart angebracht wurde, daß in jeder Ringlinse genau ein zu einem konzentrischen Ring verschmiertes Lichtquellenbild projeziert wird und das Ringlinsensystem die Aufgabe hat, allein oder zusammen mit einem nachfolgenden optischen System definierte Ebenen im Endlichen in die zu beleuchtende Objektebene abzubilden.
13. Eine Anordnung nach Pkt. 11, gekennzeichnet dadurch, daß die Hüllkurve eine Ellipse darstellt, deren große Halbachse auf der optischen Achse liegt.

H. Eine Anordnung nach Pkt. 11, gekennzeichnet dadurch, daß die Hüllkurve eine Parabel darstellt, deren Achse auf der optischen Achse liegt.

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15. Eine Anordnung nach Pkt. 11, gekennzeichnet dadurch, daß die Hüllkurve eine Hyperbel darstellt, deren reelle Achse auf der optischen Achse liegt.
16. Eine Anordnung nach Pkt. 11, gekennzeichnet dadurch, daß die Bogenstücke Ellipsenstücke sind*
17. Eine Anordnung nach Pkt. 11, gekennzeichnet dadurch, daß die Bogenstücke Parabelstücke sind.
18. Eine Anordnung nach Pkt. 11, gekennzeichnet dadurch, daß 'die Bogenstücke Hyperbelstücke sind.

19· Eine Anordnung nach Pkt. 11, gekennzeichnet dadurch, daß die Bogenstücke Geraden sind.
20. Ein' Beleuchtungssystem unter Verwendung eines Reflektors nach Pkt. 2, oder unter Verwendung eines Reflektors nach Pkt. 11, gekennzeichnet dadurch, daß dem Reflektor ein Kugelspiegel gegenübergestellt wird, welcher einen Teil des von der Lichtquelle beleuchteten Raumwinkels erfaßt und die Lichtquelle in sich selbst abbildet, mit dem Ziel, das Produkt aus Beleuchtungsapertur und Leuchtfleckdurchmesser zu verkleinern und die Leuchtdichte' zu erhöhen.

21· Eine Anordnung nach $kt. 2 oder, eine Anordnung nach Pkt. 11, gekennzeichnet dadurch, daß die reflektierende Fläche derart beschichtet wurde, daß vorwiegend nur das Licht eines oder mehrerer Wellenlängenbereiche reflektiert wird.

Selten Zeichnungen

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