DE3785938T2

DE3785938T2 - Optisches System.

Info

Publication number: DE3785938T2
Application number: DE87101235T
Authority: DE
Inventors: Shinichi Nagata
Original assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1986-01-31
Filing date: 1987-01-29
Publication date: 1994-01-05
Anticipated expiration: 2007-01-30
Also published as: DE3785938D1; JPH0438322B2; EP0231029B1; US4852980A; EP0231029A3; KR910001503B1; KR870007440A; JPS62178207A; EP0231029A2

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen ein neues optisches System und insbesondere ein optisches System, das Licht besonders gleichmäßiger Intensität liefert, ohne eine Verminderung der Beleuchtungsstärke im Randbereich eines Gegenstandes, so daß es besonders nützlich für ein Belichtungssystem zum Belichten von gedruckten Leiterplatten, integrierten Schaltungen oder dergleichen, für ein Belichtungssystem für ein Kontakt- Belichtungsgerät zur Plattenherstellung, für Repitierkopiermaschinen oder dergleichen und für ein Beleuchtungssystem für Kopiermaschinen oder dergleichen ist.
Es ist allgemein bekannt, daß ein herkömmliches optisches Kondensorsystem, wie in Fig. 27 gezeigt, in einem Beleuchtungssystem verwendet wurde, welches Beleuchtungslicht für den gesamten Bereich eines Gegenstands gleichmäßig und wirksam vorsehen sollte. Das herkömmliche optische Kondensorsystem, von Fig. 27 umfaßt eine Kondensorlinse C und eine Vorsatzlinse F. Das optische Kondensorsystem ist so aufgebaut, daß das reelle Bild einer Lichtquelle LS, die vor der Kondensorlinse C angeordnet ist, benachbart der Vorsatzlinse F abgebildet wird, und daß das reelle Bild einer Eingangspupille A der Kondensorlinse C auf einem Gegenstand S abgebildet wird, der hinter der Vorsatzlinse F angeordnet ist.
Das herkömmliche optische Kondensorsystem wirft jedoch schwerwiegende Probleme auf, das heißt, die Beleuchtungsstärke im Randbereich des Gegenstandes ist, wie in Fig. 28 gezeigt, nach Maßgabe des vierten Cosinusgesetzes (cosine fourth law) vermindert. In Fig. 27 ist beispielsweise die Beleuchtungsstärke bei dem Punkt auf dem Gegenstand, bei dem der Austrittswinkel e relativ zum optischen System 270 ist, geringer als bei dem Punkt auf der optischen Achse, d. h. dem Punkt, bei dem der Austrittswinkel 0º ist.
Es gibt verschiedene Gründe, außer dem oben genannten vierten Cosinusgesetz, für das Auftreten einer Verminderung der Beleuchtungsstärke im Randbereich des Gegenstandes, welche später näher erläutert werden. Die Beleuchtungsstärke im Randbereich des Gegenstandes wird in Wirklichkeit weniger als um einen vom vierten Cosinusgesetz abgeleiteten Wert vermindert. Gemäß einer Simulationsberechnung, die durchgeführt wird, indem die in Tabelle 1 aufgeführten Linsendaten für das in Fig. 27 gezeigte optische System verwendet werden, ergibt sich, daß die Beleuchtungsstärke bei dem Punkt, bei dem der Austrittswinkel R 27º ist, um etwa 50% im Vergleich zur Beleuchtungsstärke in der Mitte vermindert ist. Tabelle 1
f = 1, Entfernung von der Lichtquelle = 50, Entfernung vom Gegenstand = 100.
Fig. 29 zeigt eine Beleuchtungsstärken-Verteilung auf dem Gegenstand S, die beim Einsatz des optischen Systems von Fig. 27 erhalten wird, wenn eine Punktquelle auf der optischen Achse bei einer Entfernung von 50 von dem optischen System positioniert wird. Fig. 30 zeigt eine Beleuchtungsstärken-Verteilung der meridionalen Strahlen auf dem Gegenstand S, und Fig. 31 zeigt eine Beleuchtungsstärken-Verteilung der sagitalen Strahlen auf dem Gegenstand S, wobei jeweils die Punktquelle mit einer Entfernung von 14 von der optischen Achse und mit einer Entfernung von 50 vom optischen System positioniert ist. Die jeweiligen vertikalen Achsen von Fig. 29 bis 31 geben eine relative Beleuchtungsstärke wieder, wobei die Beleuchtungsstärke in der Mitte des Gegenstandes S als 100% angenommen wird, wenn die Punktquelle in der optischen Achse positioniert ist. Andererseits geben die jeweiligen horizontalen Achsen von Fig. 29 bis 31 eine Position auf dem Gegenstand S wieder. In den Fig. 29 bis 31 entspricht die mit 50 im Radius bezeichnete Position dem Ort, bei der das Ausgangslicht vom optischen System auftrifft.
Wie oben erwähnt, wird die Beleuchtungsstärke im Randbereich des Gegenstandes S in Wirklichkeit weniger vermindert als um einen aus dem vierten Cosinusgesetz abgeleiteten Wert. Einer der Gründe dafür ist eine Aberration, weil das vierte Cosinusgesetz davon ausgeht, daß das optische System keine Aberration hat, während ein tatsächliches optisches System unvermeidlich eine Aberration aufweisen wird.
Es war daher gängige Praxis, ein optisches System so aufzubauen, daß die Aberration so weit wie möglich eliminiert wurde, d. h., ein optisches System wurde allgemein so aufgebaut, daß es der Abbeschen Sinusbedingung genügt. Selbst bei einem Beleuchtungssystem-Aufbau wurde das optische System für die Beleuchtung daher im allgemeinen so aufgebaut, daß es der Sinusbedingung genügt, weil dies von dem Fachmann auf diesem Gebiet als selbstverständlich erachtet wurde.
Der Erfinder hat nun herausgefunden, daß der Aufbau eines optischen Systems, das der Sinusbedingung genügt, eine Verminderung der Beleuchtungsstärke im Randbereich des zu beleuchtenden Gegenstandes bewirkt.
Im folgenden sind die Gründe erläutert, warum die Beleuchtungsstärken-Verminderung im Randbereich des Gegenstandes entsteht.
Fig. 32 zeigt eine schematische Darstellung eines typischen, in Fig. 27 gezeigten optischen Systems, bei dem von der Lichtquelle LS ausgesandtes Licht in das optische System bei der Eintrittshöhe h eintritt, wobei in diesem Fall angenommen werden kann, daß die Lichtquelle LS mit einer unendlichen Entfernung vom optischen System angeordnet ist, weil sie bei einer im Vergleich zur Brennweite des optischen Systemes sehr großen Entfernung positioniert ist. Das reelle Bild der Lichtquelle LS wird bei einem Punkt P abgebildet, und das Licht geht mit einem Austrittswinkel R durch eine Ausgangspupille. Die Erfüllung der Abbeschen Sinusbedingung bedeutet, daß der Sinus des Austrittswinkel R proportional zur Eintrittshöhe h ist, und diese Beziehung kann durch die folgende Formel (1) ausgedrückt werden:
h = k&sub1; sin R (1)
wobei k&sub1; ein konstanter Proportionalfaktor ist.
Das Licht, das in das optische System bei der Eintrittshöhe h eintritt, verläßt es wieder, um bei dem Punkt Q auf den Gegenstand S aufzutreffen. Sin R kann dann durch die folgende Gleichung (2) ausgedrückt werden:
sin R = H/a (2)
wobei H die Entfernung zwischen dem Punkt Q und dem Mittelpunkt des Gegenstandes S ist (im folgenden als Beleuchtungshöhe bezeichnet), und wobei a der Abstand zwischen dem Punkt P und dem Punkt Q ist.
Aus den Formeln (1) und (2) kann daher folgende Formel abgeleitet werden:
H = (1/k&sub1;)·a·h (3)
Wenn die Eintrittshöhe h erhöht wird, wird, wie aus Fig. 32 ersichtlich, der Austrittswinkel R groß, damit erhöht sich auch die Beleuchtungshöhe H entsprechend, und der Abstand a zwischen dem Punkt P und dem Punkt Q vergrößert sich auf ähnliche Weise. Wenn die Eintrittshöhe mit einer konstanten Rate erhöht wird, erhöht sich die Beleuchtungshöhe H sehr viel schneller als der Zuwachs der Eintrittshöhe h, weil die Beleuchtungshöhe H proportional zum Produkt des Abstandes a und der Eintrittshöhe h ist, wie aus Formel (3) ersichtlich. Die Beziehung zwischen dem einfallenden Lichtradius A&sub0; um die optische Achse der Eintrittspupille A und dem Radius S&sub0; des beleuchteten Bereiches des Gegenstandes S ist, ähnlich der Beziehung zwischen der Eintrittshöhe h und der Beleuchtungshöhe H, so daß der Radius S&sub0; schneller zunimmt als der Radius A&sub0;, woraus ersichtlich ist, daß die Beleuchtungsstärke auf dem Gegenstand S im Vergleich zu der bei der Eingangspupille A vermindert wird, wenn sie sich von der optischen Achse entfernt.
Tatsächlich ist ein optischer Bild-bildender Systemaufbau notwendig, um das optische System so aufzubauen, daß es der Sinusbedingung genügt, weil die Aberration minimiert werden soll; in einem optischen Beleuchtungssystem ist dies jedoch nicht notwendig. Ein Aufbau, der der Sinusbedingung genügt, bewirkt ferner die Beleuchtungsstärken-Verminderung im Randbereich des zu beleuchtenden Gegenstandes, wie oben erläutert.
Bei einem herkömmlichen Beleuchtungssystem war es zum Korrigieren der Beleuchtungsstärken-Verminderung im Randbereich des Gegenstandes üblich, daß ein Gradientenfilter in den optischen Pfad gelegt wurde, oder daß die Lichtquelle bei einer ausreichenden Entfernung vom Objekt angeordnet wurde. Diese herkömmlichen Korrekturverfahren sind jedoch insofern nachteilhaft, daß die Lichtmenge im gesamten Gebiet des Gegenstandes beim ersteren Verfahren erheblich vermindert wird, und daß das Beleuchtungssystem im zweiten Fall zwangsläufig sehr groß wird.
Es ist daher eine Hauptaufgabe der Erfindung, ein neues optisches System vorzusehen, das für ein Beleuchtungssystem besonders geeignet ist.
Eine weitere Aufgabe ist, ein optisches System zu schaffen, das eine Beleuchtung eines Gegenstandes ohne eine Verminderung der Beleuchtungsstärke im Randbereich des Gegenstandes vorsieht.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Durch diese Merkmale erreicht die Erfindung die folgenden Vorteile:
Die Beleuchtungsstärken-Verminderung im Randbereich des zu beleuchtenden Gegenstandes, die nach Maßgabe des vierten Cosinusgesetzes (cosine fourth law) entsteht, kann abgebaut werden, um eine gleichmäßige Beleuchtungs-Verteilung auf dem Gegenstand zu realisieren.
Die Länge des optischen Pfades zwischen der Lichtquelle und dem Gegenstand kann wesentlich und wirksam vermindert werden, weil der Öffnungswinkel in dem erfindungsgemäßen optischen System weit ist, während der weite Bereich auf dem Gegenstand dadurch gleichmäßig beleuchtet werden kann.
Das in das optische System eingetretene Licht kann ohne Lichtverlust wirksam zum Beleuchten des Gegenstandes verwendet werden.
Das System ist für einen Einsatz in einem Beleuchtungssystem kompakter Größe besonders geeignet.
Weitere neue Merkmale und Vorteile der Erfindung werden im Laufe der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die Zeichnungen deutlich, wobei die Zeichnungen Ausführungsbeispiele zum besseren Verständnis der Erfindung angeben, ohne diese zu beschränken. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des optischen System nach der Erfindung,
Fig. 2 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Eintrittshöhe und der Beleuchtungshöhe,
Fig. 3 einen Aufriß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 4 eine graphische Darstellung der h-k-Charakteristik der ersten Ausführungsform,
Fig. 5-7 jeweils graphische Darstellungen der Beleuchtungsstärken-Verteilung auf dem Gegenstand für die erste Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 8 einen Aufriß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 9 eine graphische Darstellung der h-k-Charakteristik der zweiten Ausführungsform,
Fig. 10 bis 12 jeweils graphische Darstellungen der Beleuchtungsstärken-Verteilung auf dem Gegenstand für die zweite Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 13 einen Aufriß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 14 eine graphische Darstellung der h-k-Charakteristik der dritten Ausführungsform,
Fig. 15 bis 17 jeweils graphische Darstellungen der Beleuchtungsstärken-Verteilung auf dem Gegenstand für die dritte Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 18 einen Aufriß einer vierten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 19 eine graphische Darstellung der h-k-Charakteristik der vierten Ausführungsform,
Fig. 20 bis 22 jeweils graphische Darstellungen der Beleuchtungsstärken-Verteilung auf dem Gegenstand für die vierte Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 23 einen Aufriß einer fünften Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 24 eine schematische Darstellung eines optischen Systems mit einer asphärischen Linse zur Erläuterung der Brechung des eintretenden Lichtes,
Fig. 25 einen Aufriß einer sechsten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 26 eine schematische Darstellung eines Beleuchtungssystems, bei dem die Erfindung verwendet wird,
Fig. 27 einen Aufriß eines herkömmlichen optischen Systemes,
Fig. 28 eine graphische Darstellung der Eigenschaften des herkömmlichen optischen Systemes,
Fig. 29 bis 31 jeweils graphische Darstellungen der Beleuchtungsstärken-Verteilung auf dem Gegenstand für das herkömmliche optische System,
Fig. 32 einen schematischen Aufriß des herkömmlichen optischen Systems und
Fig. 33 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Eintrittshöhe und der Beleuchtungshöhe.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des optischen Systems nach der Erfindung, bei dem von einer Lichtquelle LS, die auf der optischen Achse liegt, ausgesandtes Licht in das optische System bei der Eintrittshöhe h eintritt und mit einem Austrittswinkel R aus diesem austritt, um den Gegenstand S zu beleuchten.
Das optische System ist so aufgebaut, daß die Eintrittshöhe h zur Tangente des Austrittswinkels R im Verhältnis steht, das durch die Formel (5) gegeben ist, welche wie folgt umgeformt werden kann:
h = k tan R (6)
Aus Fig. 1 ist offensichtlich, daß die folgende Formel gilt:
tan R = H/b (7)
wobei H eine Beleuchtungshöhe zwischen der optischen Achse und dem Punkt ist, bei dem das bei der Eintrittshöhe h eintretende Licht auftrifft, und b ist der Abstand zwischen dem Gegenstand und dem Punkt P, bei dem das reelle Bild der Lichtquelle LS abgebildet wird.
Die folgende Formel (8) wird also aus den Formeln (6) und (7) erhalten:
h=k/b·H (8)
Der Austrittswinkel R und die Beleuchtungshöhe H verändern sich also, wenn die Eintrittshöhe h erhöht oder vermindert wird, die Entfernung b kann jedoch als Konstante betrachtet werden, weil der Punkt P sich in einem durch die Aberration verursachten Maße ändert, das so klein ist, daß es vernachlässigt werden kann.
In dem optischen System wird so eine im wesentlichen proportionale Beziehung zwischen der Eintrittshöhe h und der Beleuchtungshöhe H eingerichtet, wie in Fig. 2 gezeigt.
Daraus wird ersichtlich, daß die Beziehung zwischen dem Radius A&sub0; um die optische Achse bei der Eintrittspupille A, und dem Radius S&sub0; um die optische Achse beim Gegenstand S, innerhalb desser die Beleuchtung durch das durch den Radius A&sub0; eingetretene Licht realisiert wird, ähnlich der Beziehung zwischen der Eintrittshöhe h und der Beleuchtungshöhe H proportional ist. Das heißt, wenn der Wert des Radius A&sub0; erhöht wird, erhöht sich der Wert des Radius S&sub0; im selben Verhältnis. Daraus ist ersichtlich, daß die Beleuchtungsstärken-Verteilung auf dem Gegenstand S dieselbe ist wie die der Eingangspupille A, von der Mitte zum Randbereich des Gegenstands.

ERSTE AUSFÜHRUNGSFORM

Das in Fig. 3 gezeigte optische System, welches eine erste Ausführungsform der Erfindung darstellt, umfaßt vier optische Einheiten L&sub1; bis L&sub4; mit vier Linsen. Die jeweiligen Linsendaten des optischen Systemes sind in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2
f = 1.0, effektive Öffnung = 1.0, Maximaler Sichtwinkel = 30 Grad.
In Fig. 4 sind die Eigenschaften des konstanten Proportionalfaktors k relativ zur Eintrittshöhe h gezeigt, wenn das in Fig. 3 gezeigte optische System verwendet wird, wobei die vertikale Achse die Eintrittshöhe h und die horizontale Achse den konstanten Proportionalfaktor k abbildet, entsprechend der Formel (5). Die Eigenschaften des konstanten Proportionalfaktors k relativ zur Eintrittshöhe h (im folgenden h-k-Kennlinie bezeichnet) zeigen die Wiedergabetreue des optischen Systems zum idealen optischen Aufbau nach der Erfindung, wobei die Tatsache, daß der konstante Proportionalfaktor k unabhängig von der Eintrittshöhe h konstant ist, bedeutet, daß das optische System als ein ideales System aufgebaut ist, d. h., die Tangente des Austrittswinkels R ist genau proportional zur Eintrittshöhe h.
In Fig. 4 ist die h-k-Kennlinie einer herkömmlichen aplanatischen Linse (Aplanat) zum Vergleich mit dem optischen System von Fig. 3 gestrichelt gezeichnet, woraus ersichtlich ist, daß das in Fig. 3 gezeigte optische System der Ideal- Kennlinie der Erfindung sehr nahe kommt, wodurch es sich stark von herkömmlichen Aplanaten unterscheidet, weil die Schwankung des konstanten Proportionalfaktors k des optischen Systems von Fig. 3 im Bereich von 0,008 liegt.
Fig. 5 bis 7 zeigen eine Beleuchtungsstärken-Verteilung auf dem Gegenstand, wenn das optische System von Fig. 3 verwendet wird, wobei der Gegenstand bei einer Entfernung von 100 vom optischen System angeordnet ist. Fig. 5 ist eine graphische Darstellung der Beleuchtungsstärken-Verteilung, wenn die Punktquelle auf der optischen Achse bei einer Entfernung von 50 zur Vorderseite des optischen Systems angeordnet ist, und Fig. 6 und 7 sind graphische Darstellungen der Beleuchtungsstärken-Verteilung der meridionalen Strahlen bzw. der sagitalen Strahlen auf dem Gegenstand, wenn die Punktquelle bei einer Entfernung von 14 zur optischen Achse und bei einer Entfernung von 50 zur Vorderseite des optischen Systems angeordnet ist. Die jeweiligen vertikalen Achsen von Fig. 5 bis 7 bilden die relative Beleuchtungsstärke ab, wenn die Beleuchtungsstärke in der Mitte des Gegenstandes als 100% angenommen wird.
Aus Fig. 4 bis 7 ist ersichtlich, daß der Durchmesser von 100 auf dem Gegenstandes gleichmäßig und einheitlich beleuchtet werden kann, wenn das optische System von Fig. 3 verwendet wird. Dagegen ist beim herkömmlichen optischen System die Beleuchtungsstärke im Randbereich des Gegenstandes nachteilig um 50% gegenüber der Beleuchtungsstärke in dessen Mitte vermindert, wie aus Fig. 28 ersichtlich ist.

ZWEITE AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 8 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der das optische System drei optische Einheiten L&sub5; bis L&sub7; mit drei Linsen aufweist. Die Linsendaten des optischen Systems sind in Tabelle 3 angegeben. Tabelle 3
f = 1.0, effektive Öffnung = 1.0, Maximaler Sichtwinkel = 30 Grad.
In Fig. 9 ist die h-k-Kennlinie des optischen Systems von Fig. 8 gezeigt. Fig. 10 bis 12 zeigen jeweils eine Beleuchtungsstärken-Verteilung auf dem Gegenstand S, wenn dieses optische System verwendet wird, wobei der Gegenstand S bei einer Entfernung von 100 zur Rückseite des optischen Systems angeordnet ist. Fig. 10 ist eine graphische Darstellung der Beleuchtungsstärken-Verteilung, wenn die Punktquelle auf der optischen Achse bei einer Entfernung von 50 zur Vorderseite des optischen Systems angeordnet ist. Fig. 6 und 7 sind graphische Darstellungen der Beleuchtungsstärken-Verteilung der meridionalen Strahlen bzw. der sagitalen Strahlen auf dem Gegenstand, wenn die Punktquelle bei einer Entfernung von 14 zur optischen Achse und bei einer Entfernung von 50 zur Vorderseite des optischen System angeordnet ist. Die jeweiligen vertikalen Achsen der Fig. 10 bis 12 zeigen die relative Beleuchtungsstärke, wenn die Beleuchtungsstärke in der Mitte des Gegenstandes als 100% angenommen wird.
Aus Fig. 9 bis 12 wird ersichtlich, daß ein Durchmesserbereich von 100 auf dem Gegenstand gleichmäßig und einheitlich beleuchtet werden kann, wenn das optische System von Fig. 8 verwendet wird.

DRITTE AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 13 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der das optische System zwei optische Einheiten L&sub8; bis L&sub9; mit zwei Linsen aufweist. Die Linsendaten des optischen Systems sind in Tabelle 4 angegeben. Tabelle 4
f = 1.0, effektive Öffnung = 1.0, Maximaler Sichtwinkel = 20 Grad.
Fig. 14 zeigt die h-k-Kennlinie des optischen Systems von Fig. 13. Fig. 15 bis 17 zeigen jeweils eine Beleuchtungsstärken-Verteilung auf dem Gegenstand S, wenn dieses optische System verwendet wird, wobei der Gegenstand S bei einer Entfernung von 100 zur Rückseite des optischen Systems angeordnet ist. Fig. 15 zeigt eine graphische Darstellung der Beleuchtungsstärken-Verteilung, wenn die Punktquelle auf der optischen Achse bei einer unendlichen Entfernung von der Vorderseite des optischen Systems angeordnet ist. Fig. 16 und 17 zeigen graphische Darstellungen der Beleuchtungsstärken-Verteilung der meridionalen Strahlen bzw. der sagitalen Strahlen auf dem Gegenstand, wenn die einfallenden Strahlen von der Punktquelle in das optische System mit einem Einfallwinkel von 10º eintreten. Die jeweiligen vertikalen Achsen von Fig. 15 bis 17 geben die relative Beleuchtungsstärke wieder, wenn die Beleuchtungsstärke in der Mitte des Gegenstandes als 100% angenommen wird.
Aus Fig. 14 bis 17 wird ersichtlich, daß ein Durchmesserbereich von 100 auf dem Gegenstand gleichmäßig und einheitlich beleuchtet werden kann, wenn das optische System von Fig. 13 verwendet wird.

VIERTE AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 18 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der das optische System eine einzige optische Einheit L&sub1;&sub0; mit vier Linsen umfaßt. Die Linsendaten des optischen Systemes sind in Tabelle 5 angegeben. Tabelle 5
f = 1.0, effektive Öffnung = 0.80, Maximaler Sichtwinkel = 30 Grad.
In Fig. 19 ist die h-k-Kennlinie des optischen Systems von Fig. 18 gezeigt. Fig. 20 bis 22 zeigen jeweils eine Beleuchtungsstärken-Verteilung auf dem Gegenstand S, wenn dieses optische System verwendet wird, wobei der Gegenstand bei einer Entfernung von 100 zur Rückseite des optischen Systems angeordnet ist. Fig. 20 zeigt eine graphische Darstellung der Beleuchtungsstärken-Verteilung, wenn die Punktquelle auf der optischen Achse bei einer Entfernung von 50 zur Vorderseite des optischen Systems angeordnet ist, und Fig. 21 und 22 zeigen graphische Darstellung der Beleuchtungsstärken-Verteilung der meridionalen Strahlen bzw. der sagitalen Strahlen auf dem Gegenstand, wenn die Punktquelle mit einem Abstand von 14 zur optischen Achse und mit einem Abstand von 50 zur Vorderseite des optischen Systemes angeordnet ist. Die jeweiligen vertikalen Achsen der Fig. 20 bis 22 geben die relative Beleuchtungsstärke wieder, wenn die Beleuchtungsstärke in der Mitte des Gegenstandes als 100% angenommen wird.
Aus Fig. 19 bis 22 wird ersichtlich, daß ein Durchmesserbereich von 70 auf dem Gegenstand gleichmäßig und einheitlich beleuchtet werden kann, wenn das optische System von Fig. 18 verwendet wird.
Bei den oben beschriebenen vier Ausführungsformen wurden nur sphärische Linsen für das optische System verwendet, es können jedoch auch asphärische Linsen verwendet werden. Die Form der asphärischen Linsen ist wie im folgenden beschrieben gestaltet.
Wieder mit Bezug auf Fig. 1, die Tangente des Austrittswinkels e ist gegeben durch:
tan R = h/C (9)
wobei h eine Eintrittshöhe ist, und C ist die Entfernung zwischen der Eingangspupille A und dem Punkt P, bei dem das reelle Bild der Lichtquelle LS abgebildet wird.
Da das optische System nach der Erfindung so gestaltet ist, daß die Eintrittshöhe h proportional zur Tangente des Austrittswinkels R ist, wird die folgende Formel (10) aus den Formeln (6) und (9) erhalten:
C=k (10)
Wenn angenommen wird, daß die Lichtquelle LS bei einer endlichen Entfernung angeordnet ist, ist die Entfernung c gleich der Brennweite f. Dadurch wird die folgende Formel (11) erhalten:
C=f (11)
Aus den Formeln (10) und (11) kann die folgende Formel (12) erhalten werden:
k=f (12)
Die Formel (5) kann daher in die folgende Formel (13) umgewandelt werden:
tan R = h/f (13)
In Fig. 24 bezeichnet ein Symbol n&sub1; den Brechungsindex eines Vormediums vor der Oberfläche einer asphärischen Linse, ein Symbol n&sub2; bezeichnet den Brechungsindex eines Nachmediums hierzu, ein Symbol Φ bezeichnet den Winkel beim Einfallpunkt e des Lichtes von der unendlichen Entfernung, zwischen der Normalen auf der Oberfläche und der optischen Achse, und ein Symbol λ bezeichnet den Winkel, den das an der Oberfläche gebrochene Licht mit der optischen Achse einschließt. Aus dem Brechungsgesetz ergibt sich dann die folgende Formel (14):
n&sub1; sinΦ = n&sub2;sin(Φ-λ) (14)
Durch Ausmultiplizieren der Formel (14) kann die Formel (15) erhalten werden:
Im folgenden soll das Verhältnis zwischen der Strecke z und der Strecke h, das der Form der Oberfläche der asphärischen Linse entspricht, erläutert werden. Die Neigung der Oberfläche beim Punkt e ist gegeben durch dh/dz, und die Neigung der Normalen beim Punkt e relativ zur Oberfläche ist gegeben durch:
1/dh/dz, d. h. dz/dh.
Dagegen ist, wie aus Fig. 24 ersichtlich, die Neigung der Normalen in Wirklichkeit gegeben durch tan Φ.
Daraus ergibt sich die folgende Formel (16):
dz/dh=tan Φ (16)
Aus den Formeln (15) und (16) kann die folgende Formel (17) erhalten werden:
Während sin² λ + cos² λ = 1 und tan λ = sinλ/cosλ gilt, werden diese umgeformt zu sinλ = tanλ/ 1+tan²λ und cosλ = 1/ 1+tan²λ, und unter Berücksichtigung der Formel (13) werden sie weiter umgeformt zu sinλ = h/ f²+h² und cosλ = f/ f²+h².
Durch Einsetzen dieser Gleichungen in die Gleichung (17) wird die folgende Gleichung (18) erhalten:
Wenn man annimmt, daß f = 1, kann die Differenzialgleichung (18) wie folgt aufgelöst werden:
wobei C eine Integrationskonstante ist.
Wenn der Schnittpunkt der Brechungsoberfläche und der optischen Achse als ein Ursprung der z-Achse betrachtet wird, ist die Integrationskonstante C durch die folgende Gleichung (20) gegeben:

FÜNFTE AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 23 zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, wobei das darin gezeigte optische System eine einzelne asphärische Linse L&sub1;&sub1; umfaßt.
Bei dieser Ausführungsform besteht die asphärische Linse L&sub1;&sub1; aus einem Material mit einem Brechungsindex von 1,5. Dagegen ist das Vormedium der Linse L&sub1;&sub1; Luft, hat also einen Brechungsindex von 1,0. Durch Einsetzen der Werte n&sub1; = 1 und n&sub2; = 1,5 in die Gleichung (19) und (20) wird die folgende Gleichung erhalten:
Z = -1.5 1+h²-2.25log 1-1.5 1+h² -0.06
Die vordere Form der asphärischen Linse L&sub1;&sub1; wird durch diese Gleichung wiedergegeben, und die Form ihrer Rückseite ist so gestaltet, daß sie der Bedingung genügt, daß das austretende Licht an der Rückseite nicht gebrochen wird.

SECHSTE AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 25 zeigt eine sechste Ausführungsform der Erfindung, bei der das optische System eine einzelne asphärische Linse L&sub1;&sub2; umfaßt. Bei dieser Ausführungsform bildet die Vorderseite der asphärischen Linse L&sub1;&sub2; eine Ebene, und die asphärische Linse L&sub1;&sub2; besteht aus einem Material mit einem Brechungsindex von 1,5. Die Rückseite ist wie folgt ausgebildet.
Das Vormedium für die Brechung an der Rückseite ist die asphärische Linse mit dem Brechungsindex 1,5, und ihr Nachmedium ist Luft mit einem Brechungsindex von 1,0. Durch Einsetzen der Werte n&sub1; = 1,5 und n&sub2; = 1,0 in die Gleichungen (19) und (20), wird die folgende Gleichung erhalten:
Das optische System nach der Erfindung kann mit einer Linsenstruktur nach Art eines Fliegenauges aufgebaut werden. Das in Fig. 26 gezeigte Beleuchtungssystem umfaßt eine Lichtquelle LS, einen Ellipsoidenspiegel M, eine Facetten- oder Fliegenauge-Linse FE mit mehreren optischen Systemen, wie oben erläutert, und einen Gegenstand S.
Die Fliegenaugen-Linse FE ist so aufgebaut, daß die jeweiligen optischen Achsen der optischen Systeme parallel zueinander verlaufen, wobei eine Vielzahl davon austretender Strahlen auf den Gegenstand S auftreffen. Die Struktur der Fliegenaugen- Linse ist zum Auflösen der Beleuchtungs-Ungleichmäßigkeit bei der Eingangspupille sehr nützlich, so daß der Gegenstand S unabhängig von der Beleuchtungsverteilung bei der Eingangspupille gleichmäßig beleuchtet werden kann. Zusätzlich zu diesem Merkmal sehen die jeweiligen optischen Systeme der Fliegenaugen-Linse eine gleichmäßige Beleuchtung des gesamten Bereiches des Gegenstandes vor, so daß die Beleuchtungsstärken-Verteilung auf dem Gegenstand sehr gleichmäßig wird.
Vorzugsweise ist die Beziehung zwischen der Eingangspupille A und dem Gegenstand S konjugiert, weil die Lichtquelle unvermeidlich eine Dimension aufweist. Dann, wenn das Beleuchtungssystem so aufgebaut ist, daß die Eingangspupille zum zu beleuchtenden Gegenstand konjugiert, oder ergänzend, ist, trifft Licht, das durch einen vorgegebenen gemeinsamen Punkt in der Eingangspupille geht, auf einem vorgegebenen gemeinsamen Punkt auf dem Gegenstand auf, und entsprechend beleuchtet Licht, das von der Lichtquelle ausgesandt und von der Eingangspupille empfangen wird, den vorgegebenen Bereich des Gegenstandes ohne einen Verlust der Lichtmenge.
Die Erfindung wurde anhand von Ausführungsbeispielen optischer Systeme erläutert, sie ist nicht auf die gezeigten Einzelheiten beschränkt, da verschiedene Modifikationen und Veränderungen des Aufbaus vorgenommen werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Ohne weiteres ist die Lehre der vorliegenden Erfindung so offenbart, daß andere unter Anwendung des fachmännischen Wissens diese für verschiedene Anwendungen umsetzen können, ohne Merkmale wegzulassen, die aus Sicht des Standes der Technik wesentliche Merkmale der Lehre oder bestimmte Aspekte dieser Erfindung bilden.
Die zu schützende Lehre ist in den Patentansprüchen angegeben.
Die in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder in der Zeichnung offenbarten Merkmale können einzeln und in beliebiger Kombination zur Realisierung der Erfindung in verschiedensten Formen eingesetzt werden.

Claims

1. Beleuchtungssystem zur Beleuchtung eines Gegenstandes, der in der optischen Achse des Systemes liegt, mit einer Lichtquelle (LS) zum Aussenden von Lichtstrahlen, einem optischen System, das eine optische Achse, ein Eingangs- Lichtloch zum Empfangen der Lichtstrahlen von der Lichtquelle und ein Ausgangs-Lichtloch zum Durchlassen der empfangenen Lichtstrahlen zum Gegenstand bestimmt, wobei die Lichtquelle in der optischen Achse liegt, und wobei das optische System so aufgebaut ist, daß für jeden von der Schnittstelle der Lichtquelle und der optischen Achse ausgehenden und durch das optische System hindurchgehenden Strahl die folgenden Gleichungen erfüllt sind:

wenn R > 0, dann Φ < 0,

wenn R < 0, dann Φ 0,

wobei R der Austrittswinkel der jeweiligen durch das Ausgangs- Lichtloch hindurchgegangenen Lichtstrahlen ist und Φ der Eintrittswinkel der jeweiligen Lichtstrahlen am Eingangs- Lichtloch ist, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System so aufgebaut ist, daß auch die folgende Gleichung von jedem der Lichtstrahlen erfüllt ist:

h = k · tan R,

wobei h die Eingangshöhe der Lichtstrahlen am Eingangs-Lichtloch und k eine proportionale Konstante ist.

2. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, mit weiterhin einer asphärischen Linse, die so ausgelegt ist, daß sie der folgenden Gleichung genügt:

wobei n1 der Brechungsindex eines vorausgehenden Mediums zu einer Oberfläche der asphärischen Linse ist, n2 der Brechungsindex eines nachfolgenden Mediums zu deren Oberfläche ist, h eine Eingangshöhe im Eingangs-Lichtloch ist und z die Koordinate eines Punktes der Linsenoberfläche gemessen längs der optischen Achse ist, wobei der Schnittpunkt der Linsenoberfläche mit der optischen Achse als der Ursprung der z-Achse angesehen wird.

3. Beleuchtungssystem nach Anspruch 2, bei dem die Lichtquelle ein Punkt-Beleuchtungsmittel ist und der Sichtwinkel des optischen Systemes gleich Null ist.

4. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, bei dem die Lichtquelle ein Oberflächen-Beleuchtungsmittel mit einem Sichtwinkel ist, der nicht größer als der Sichtwinkel des optischen Systemes ist.

5. Beleuchtungssystem nach Anspruch 4, bei dem das Eingangs- Lichtloch mit dem Objekt konjugiert ist.

6. Beleuchtungssystem nach Anspruch 1, bei dem das optische System eine Fliegenaugen-Linsenstruktur mit mehreren verschiedenen optischen Systemen aufweist.