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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein neues
optisches System, insbesondere ein optisches System,
das Licht einer erhöhten Beleuchtungsstärke in dem
Peripheriebereich eines zu beleuchtenden Objekts schafft,
so daß es insbesondere für ein Beleuchtungssystem oder
ein Projektionssystem für die Belichtung von bedruckten
Schaltkarten, integrierten Schaltungen oder
dergleichen, für ein Beleuchtungssystem einer
Kontaktbelichtungsvorrichtung zur Herstellung von Platten, Schritt-
und Wiederhol-Maschinen und dergleichen und für ein
Beleuchtungssystem von Kopiermaschinen oder dergleichen
verwendbar ist.
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Bezüglich des Standes der Technik ist die EP-A-0 231 029,
eine europäischen Patentanmeldung des Anmelders
dieser Druckschrift zu erwähnen, die auch das Problem
des Schaffens eines optischen Systems löst und eine
Beleuchtung eines Objekts ohne jede Verringerung der
Beleuchtung in dem Peripheriebereich des Objekts schafft.
Das optische System nach diesem Dokument kann jedoch
nicht eine Beleuchtungshöhe des Peripheriebereichs des
Objekts schaffen, die größer ist als diejenige des
mittleren Bereichs des Objekts.
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Es ist bekannt, daß ein übliches optisches System vom
Relaiskondensertyp, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, in
einem Beleuchtungssystem verwendet worden ist, das dazu
dient, eine Beleuchtung für die ganze Objektfläche
gleichmäßig und wirksam zu schaffen. Das übliche
optische System vom Kondensertyp, das in Figur gezeigt ist,
weist eine Kondensorlinse C und eine Feldlinse F auf.
Das optische System vom Kondensertyp ist derart
ausgebildet, daß das reale Bild einer Lichtzelle LS, die vor
der Kondensorlinse C angeordnet ist, benachbart zu der
Feldlinse F abgebildet ist, und daß das reale Bild der
Eingangsblende A der Kondenserlinse C auf einem Objekt
S abgebildet ist, die hinter der Feldlinse F angeordnet
ist. Das übliche optische System vom Kondensertyp hat
jedoch insofern ein erhebliches Problem, als die
Beleuchtung des Peripheriebereichs des Objekts reduziert
ist, wie in Fig. 2 gezeigt ist, aufgrund des vierten
Kosinusgesetzes. Fig. 1 verdeutlicht beispielsweise,
daß die Beleuchtung an dem Punkt des Objekts, an dem
der Ausgangswinkel R 27 Grad relativ zu dem optischen
System bildet, kleiner ist als an dem Punkt der
optischen Achse, das heißt, an dem Punkt an dem der Winkel
R null Grad beträgt.
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Neben dem eben erwähnten vierten Kosinusgesetz gibt es
verschiedene Gründe für das Auftreten der Verringerung
der Beleuchtung in dem peripheriebereich des Objekts,
was später in seinen Einzelheiten beschrieben werden
wird. Tatsächlich ist die Beleuchtung in dem
Peripheriebereich des Objekts geringer, als ein Wert, der sich
aus dem vierten Kosinusgesetz ergibt. Entsprechend der
Situationsberechnung, die durch Anwendung der
Linsendaten, die in Fig. 1 für das optische System, das in
Figur 1 angegeben ist, gemacht worden ist, hat sich
gezeigt, daß die Beleuchtung an dem Punkt, an dem der
Ausgangswinkel 27º beträgt, um 50% gegenüber der
Beleuchtung in der Mitte reduziert wird.
Tabelle 1
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Entfernung von der Lichtquelle = 50,
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Entfernung von dem Objekt = 100.
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Fig. 3 zeigt eine Beleuchtungsverteilung auf dem
Objekt P, das durch die Verwendung des optischen Systems,
das in Fig. 1 gezeigt ist, gewonnen worden ist, in dem
Fall, in dem eine Punktquelle auf der optischen Achse
mit einer Entfernung von 50 weg von dem optischen
System positioniert ist. Fig. 4 zeigt eine
Beleuchtungsverteilung des meridionalen Strahls auf dem Projekt P
und Fig. 5 zeigt eine Beleuchtungsverteilung auf dem
sagittalen Strahl auf dem Objekt P, wobei die Punkt
quelle jeweils um 14 von der optischen Achse entfernt
und um einen Abstand von 50 von dem optischen System
entfernt positioniert ist. Die jeweilige vertikale
Achse der Fig. 3 bis 5 gibt eine relative Beleuchtung
an, wobei die Beleuchtung der Mitte des Objekts P als
100% betrachtet wird, wenn die Punktquelle auf der
optischen Achse positioniert ist. Die jeweilige
horizontale Achse der Fig. 3 bis 5 gibt dagegen eine
Position auf dem Gegenstand P an. In den Fig. 3 bis 5
entspricht die mit 50 bezeichnete Position der
Position,
auf die das Ausgangslicht von dem optischen System
aufgeworfen wird.
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Die Beleuchtung in dem Peripheriebereich des Objekts P
ist, wie oben erwähnt, tatsächlich geringer reduziert,
als ein Wert, der nach dem vierten Kosinusgesetz
hergeleitet wird. Eine der Gründe dafür ist eine Abweichung,
da das vierte Kosinusgesetz auf der Voraussetzung
beruht, daß ein optisches System keine Aberration hat, wo
hingegen ein tatsächliches optisches System
unvermeidlich eine Aberration hat.
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Es wurde dann üblicherweise praktiziert, daß ein
optisches System derart ausgeschaltet ist, daß die
Aberration so weit wie möglich vermieden wird. Es wurde, mit
anderen Worten, allgemein praktiziert, daß ein
optisches System derart ausgebildet ist, daß es die
Sinusbedingung erfüllt. Auch bei einem solchen
Illuminationssystem wurde das optische System zur Verwendung bei
der Beleuchtung üblicherweise derart ausgebildet, daß
es die Sinusbedingung erfüllt, da dies von dem Fachmann
als selbstverständlich erachtet wurde.
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Von den Erfindern wurde dagegen erkannt, daß eine
Ausbildung eines optischen System derart, daß es die
Sinusbedingung erfüllt, eine Verringerung der Beleuchtung
in dem peripheren Bereich des zu beleuchtenden Objekts
bewirkt.
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Im folgenden werden die Gründe diskutiert, auf denen
die Verringerung der Beleuchtung des peripheren
Bereichs des Objekts beruhen.
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Es wird Bezug auf Fig. 6 genommen, die eine
schematische Ansicht eines optischen Systems ist. Licht, das
von der Lichtquelle LS ausgesandt wird, erreicht das
optische System mit einer Eintrittshöhe h. In diesem
Fall kann die Lichtquelle LS als mit einem unendlichen
Abstand von dem optischen System angeordnet betrachtet
werden, da sie mit einem gegenüber der Fokuslänge des
optischen Systems großen Entfernung von diesem
angeordnet ist. Das wirkliche Bild der Lichtquelle LS ist an
einem Punkt I abgebildet und das Licht geht durch eine
Ausgangsblende mit einem Austrittswinkel R. Das
Erfüllen der Sinusbedingung bedeutet, daß der Sinus des
Austrittswinkels proportional zu der Eintrittshöhe h ist,
entsprechend der Beziehung, die durch die folgende
Gleichung (1) ausgedrückt werden kann:
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h = k&sub1;*sin R (1)
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wobei k&sub1; ein Proportionalitätskonstante ist.
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Das Licht, das in das optische System mit einer
Eintrittshöhe h eingetreten ist, tritt aus diesem aus, um
auf dem Punkt Q des Objekts P auf zutreffen. Sin R kann
durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden (2):
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Sin R = H/a (2)
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wobei H der Abstand zwischen dem Punkt Q und dem
Mittelpunkt des Objekts P (im folgenden als
Beleuchtungshöhe bezeichnet) und a der Abstand zwischen dem Punkt I
und dem Punkt Q ist.
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Die Gleichungen (1) und (2) können umgewandelt werden
zu:
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Aus Fig. 6 ergibt sich, daß dann, wenn die
Eintrittshöhe h erhöht wird, der Austrittswinkel R groß wird, da
die Beleuchtungshöhe H entsprechend bewirkt wird.
Ähnlich wird auch der Abstand a zwischen dem Punkt I und
dem Punkt Q vergrößert. In dem Fall, daß die
Eintrittshöhe H mit einer konstanten Rate vergrößert wird, wird
die Beleuchtungshöhe H plötzlich stärker vergrößert als
es der Zunahme der Eintrittshöhe h entspricht, da die
Beleuchtungshöhe proportional zu dem Produkt aus dem
Abstand a und der Eintrittshöhe h ist, wie sich dies
aus der Gleichung (3) ergibt. Die Beziehung zwischen
dem Radius A&sub0; des auftreffenden Lichts um die optische
Achse in der Eingangsblende A und dem Radius P&sub0; des
Beleuchtungsprogramms des Objekts P ist, ähnlich wie die
Beziehung zwischen der Eintrittshöhe h und der
Beleuchtungshöhe H derart, daß der Radius P&sub0; mit einer
größeren Rate zunimmt als die Rate, mit der der Radius A
zunimmt. Es ergibt sich daraus, daß die Beleuchtung des
Objekts P verringert wird, wenn dieser sich von der
optischen Achse entfernt, verglichen mit derjenigen der
Eingangsblende A.
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Tatsächlich ist es bei der Ausgestaltung eines
bildgebenden optischen Systems erforderlich, das optische
System derart auszubilden, daß es die Sinusbedingung
erfüllt, da es wichtig ist, die Aberration zu
minimieren. In einem optischen Beleuchtungssystem besteht ein
solches Erfordernis jedoch nicht. Eine Ausbildung, die
die Sinusbedingung erfüllt, bewirkt die Verringerung
der Beleuchtung des peripheren Bereichs des zu
beleuchtenden Objekts, wie oben erwähnt.
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In einem üblichen Beleuchtungssystem wurde vorgesehen,
daß ein Gradientenfilter in dessen optischen Weg
angeordnet ist, oder aber daß die Lichtquelle mit einem
ausreichenden Abstand von dem Objekt angeordnet wird,
um die Verringerung der Beleuchtung des peripheren
Bereiches des Objekts zu korrigieren. Diese üblichen
Korrekturverfahren sind jedoch nachteilig unter
Berücksichtigung der Tatsache, daß die Lichtmenge erheblich
in dem Gesamtbereich des Objekts bei dem vorbekannten
Verfahren reduziert wird, und daß das
Beleuchtungssystem in unerwünschter Weise bei dem letztgenannten
System groß wird.
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Weiter kann es oft erforderlich sein, daß die
Beleuchtung des peripheren Bereichs eines Objekts verglichen
mit dessen Zentrum erhöht ist. Beispielsweise in dem
Fall, in dem eine Beleuchtungsvorrichtung bei
Verwendung einer Projektionslinse optisch hinter einer zu
reproduzierenden Vorlage angeordnet ist, wird ein Bild,
das auf ein fotoempfindliches Material projiziert wird,
durch das vierte Kosinusgesetz auch dann betroffen,
wenn eine gleichförmige Beleuchtung über die Vorlage
erfolgt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
neues optisches System zu schaffen, das insbesondere
für ein Beleuchtungssystem nützlich ist.
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Es ist eine weitere Aufgabe, ein optisches System zu
schaffen, das eine Beleuchtung eines Objekts mit einer
verstärkten Beleuchtung in dem peripheren Bereich des
Objekts schafft.
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Es ist eine weitere Aufgabe, ein optisches System zu
schaffen, das für die Beleuchtung eines erheblich groß
formatigen Objekts, das heißt 900 mm mal 900 mm
geeignet ist.
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Die genannten Aufgaben werden durch den Gegenstand von
Anspruch 1 gelöst. Ein optisches System, das eine
Lichtquelle, eine Eingangsblende zum Aufnehmen von
Licht von einer Lichtquelle, eine Ausgangsblende zum
Durchlassen des aufgenommenen Lichts zu dem Objekt und
einer optischen Achse, die sich von der Lichtquelle zu
dem Objekt durch das optische System erstreckt,
aufweist, wobei die Beziehung zwischen der Eingangshöhe h
und der Ausgangsblende, einer Beleuchtungshöhe H des
Objekts und einer Änderungsrate (dh/dH) des
auffallenden Lichts und die Beleuchtungshöhe durch eine Funktion
f (H) = (h/H) (dh/dH) definiert ist, ist derart
ausgebildet, daß es die folgende Ungleichung in dem
peripheren Bereich des Gegenstandes erfüllt: f (0) ≤ f (H),
f (0) dargestellt ist durch die Formel: f (0) -
[fa'/{(a'-f) b'}]², wobei a' ein Abstand zwischen der
Lichtquelle und dem primären Hauptpunkt des optischen
Systems ist und b' der Abstand zwischen dem wirklichen
Bild und der Lichtquelle und dem Objekt bevorzugt ist.
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Ein solches optisches System kann drei optische
Einheiten aufweisen, wobei die erste optische Einheit eine
positive Linse hat und deren rückwärtige Fläche konvex
ausgebildet ist, die zweite optische Einheit eine
positive Linse und eine Vorderfläche hat, die konvex
ausgebildet ist und die dritte optische Einheit entweder
eine positive oder eine negative Linse aufweist und deren
rückwärtige Fläche konvex ausgebildet ist, wobei das
optische System die folgenden Ungleichungen erfüllt:
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-0.3f < fF < 0.3f (13)
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0.4 < (1-n&sub5;) f/r&sub6; (14)
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-0.6f < fB < 0.1f (15)
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0.04 < (1-n&sub1;) f/r&sub2; < 0.8 (16)
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(1-n&sub3;)/r&sub4; + (n&sub5;-1)/r&sub5; < 0 (17)
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wobei f der synthetisierte Fokuspunkt des optischen
Systems ist; fF der Abstand zwischen der Vorderfläche der
ersten optischen Einheit und dem primären Fokuspunkt
des optischen Systems ist; fB zwischen der rückwärtigen
Fläche der dritten optischen Einheit und dem sekundären
Fokuspunkt des optischen Systems ist, n&sub1;, n&sub3; und n&sub5;
jeweils die Refaktionsindizes der ersten, zweiten und
dritten optischen Einheit sind; r&sub2; und r&sub4; jeweils die
Radien der Krümmung der rückwärtigen Flächen der ersten
und der zweiten optischen Einheit sind; und r&sub5; und r&sub6;
jeweils die Radien der Krümmung der vorderen und der
rückwärtigen Flächen der dritten optischen Einheit
sind.
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Ein solches optisches System kann weiter vier optische
Einheiten aufweisen, wobei die erste optische Einheit
eine positive Linse aufweist und eine Rückfläche hat,
die konvex ausgebildet ist. Die zweite optische Einheit
weist entweder eine positive oder eine negative Linse
auf und hat eine rückwärtige Fläche, die konvex
ausgebildet ist. Die dritte optische Einheit weist eine
positive Linse auf und eine Vorderfläche, die konvex
ausgebildet ist, die vierte optische Einheit weist eine
positive Linse auf und hat eine rückwärtige Fläche, die
konvex ausgebildet ist. Die synthetisierte Fläche
Fokuslänge der ersten und der zweiten optischen Einheit
ist positiv, das optische System führt die folgenden
Ungleichungen:
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0.8 ≤ {(n&sub5;-1)/r&sub5; + (1-n&sub7;)/r&sub8;}f (58)
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0.75 ≤ f3*4 ≤ 1.52 f (59)
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wobei f eine synthetisierte Fokuslänge des optischen
Systems ist; f3*4 eine synthetisierte Fokuslänge der
dritten und der vierten optischen Einheiten ist; n&sub5; und
n&sub7; jeweils die Refraktionsindizes der dritten und der
vierten optischen Einheiten und r&sub5; und r&sub8; jeweils die
Radien der Krümmung der dritten und der vierten
optischen Einheit sind.
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Oder, nach einem anderen Ausführungsbeispiel, kann das
optische System zwei optische Einheiten aufweisen,
wobei die erste optische Einheit eine positive Linse hat
und eine rückwärtige Fläche, die konvex ausgebildet
ist. Die zweite optische Einheit weist eine positive
Linse auf und hat eine vordere und eine rückwärtige
Fläche, die konvex ausgebildet ist wobei das optische
System die nachfolgenden Gleichungen erfüllt:
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-0.3 ≤ (d&sub3;/r&sub4;) ≤ -0.3 (76)
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1.0f ≤ f&sub2; ≤ 1.55f (77)
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wobei f eine synthetisierte Fokuslänge des optischen
Systems ist; f&sub2; die Fokuslänge der zweiten optischen
Einheit ist; d&sub3; die Dicke der zweiten optischen Einheit
ist; und r&sub4; der Radius der Krümmung der rückwärtigen
Fläche der zweiten optischen Einheit ist.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung weist das
optische System zwei optische Einheiten auf, wobei die
erste optische Einheit eine positive Linse beinhaltet und
eine rückwärtige Fläche hat, die konvex ausgebildet
ist. Die zweite optische Einheit weist eine positive
Linse auf und hat eine Vorderfläche, die konkav
ausgebildet ist und eine rückwärtige Fläche, die konvex
ausgebildet ist, wobei das optische System die
nachfolgenden Ungleichungen erfüllt:
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-0.68 ≤ {(1-n&sub1;)/r&sub2; + (n&sub3;-1)/r&sub3;}f ≤ 0.90 (90)
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0.67 ≤ {(1-n&sub3;)/r&sub4;}f (91)
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wobei f die synthetisierte Fokuslänge des optischen
Systems ist; r&sub2;, r&sub3; und r&sub4; ein Krümmungsradius der
rückwärtigen Fläche der ersten optischen Einheit, der
vorderen und rückwärtigen Flächen der zweiten optischen
Einheit sind und n&sub1; und n&sub3; Refraktionsindizes der
ersten und der zweiten optischen Einheit sind.
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Das optische System ist vorzugsweise nach Art eines
sogenannten Fliegenauges ausgebildet.
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Mit den vorgenannten Merkmalen hat die Erfindung die
folgenden nützlichen Vorteile:
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Das optische System nach der vorliegenden Erfindung
beseitigt die Verringerung der Beleuchtung, die durch das
vierte Kosinusgesetz und/oder eine Vignettierung in dem
peripheren Bereich eines zu beleuchtenden Gegenstandes
verursacht wird.
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Das optische System erhöht statt dessen die Beleuchtung
in dem peripheren Bereich eines zu beleuchtenden
Gegenstandes, was zu der Tatsache führt, daß das optische
System insbesondere in dem Fall nützlich ist, in dem
das Bild des Objekts wiederum auf ein fotoempfindliches
Material projiziert werden soll. Die sich ergebende
Beleuchtungsverteilung auf dem fotoempfindlichen Material
kann als gleichförmig über die gesamte Fläche bewirkt
werden.
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Das optische System nach der vorliegenden Erfindung ist
entsprechend zur Beleuchtung eines Objekts von
erheblicher Größe eingerichtet.
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Andere neue Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus dem Verlauf der nachfolgenden eingehenden
Beschreibung in Zusammenhang mit den beiliegenden
Zeichnungen,
die nur zu dem Verständnis der vorliegenden
Erfindung dienen und nicht den schutzbereich der
Erfindung einschränken sollen.
KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines üblichen
optischen Systems;
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Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die die
Beleuchtungsverteilung des üblichen
optischen Systems wiedergibt;
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Fig. 3 bis 5 sind jeweils graphische Darstellungen
der Beleuchtungsverteilung auf dem Objekt
unter Verwendung des üblichen optischen
Systems;
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Fig. 6 ist eine schematische Schnittansicht des
üblichen optischen Systems;
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Fig. 7 ist eine graphische Darstellung, die die
Beziehung zwischen der Eintrittshöhe und
der Beleuchtungshöhe ergibt;
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Fig. 8 ist eine schematische Ansicht des
Beleuchtungsgerätes nach der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 9 ist eine schematische Ansicht der
Beleuchtungsvorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 10 ist eine Seitenansicht der Linsen, die das
optische System bilden;
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Fig. 11 und 12 sind erläuternde Seitenansichten,
die die Strahlen, die durch das optische
System wandern, wiedergeben;
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Fig. 13 ist eine graphische Darstellung, die die
Beleuchtungsverteilung auf einem Objekt
zeigt;
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Fig. 14 ist eine Seitenansicht der Linsen, die das
optische System bilden;
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Fig. 15 ist eine graphische Darstellung, die die
Beleuchtungsverteilung auf einem Objekt
wiedergibt;
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Fig. 16 ist eine Seitenansicht von Linsen, die das
optische System bilden;
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Fig. 17 ist eine graphische Darstellung, die die
Beleuchtungsverteilung auf einem Objekt
wiedergibt;
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Fig. 18 ist eine Seitenansicht der Linsen, die das
optische System bilden;
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Fig. 19 ist eine graphische Darstellung, die eine
Beleuchtungsverteilung auf einem Objekt
wiedergibt;
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Fig. 20 ist eine Seitenansicht der Linsen, die das
optische System bilden;
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Fig. 21 ist eine graphische Darstellung, die eine
Beleuchtungsverteilung auf einem Objekt
wiedergibt;
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Fig. 22 ist eine graphische Darstellung, die eine
Beleuchtungsverteilung auf einem
fotoempfindlichen Material wiedergibt;
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Fig. 23 ist eine schematische Seitenansicht einer
Beleuchtungsvorrichtung nach der
vorliegenden Erfindung;
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Fig. 24 ist eine graphische Darstellung, die einen
Vignettierungsfaktor einer Projektionslinse
wiedergibt; und
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Fig. 25 ist eine graphische Darstellung, die die
Beleuchtungsverteilung auf einem
fotoempfindlichen Material wiedergibt.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Es wird auf Fig. 8 Bezug genommen. Eine Lichtquelle LS
ist auf der optischen Achse Z angeordnet und, wenn der
Lichtstrahl b&sub1; der von der Mitte LS&sub0; der Lichtquelle LS
ausgesandt wird, in die Eingangsblende A der Linse L
bei einer Eintrittshöhe h eintritt, wandert der
Lichtstrahl b&sub1; durch die Linse L und tritt aus der
Ausgangsblende B aus, um das Objekt P bei einer Höhe H zu
erreichen.
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Der Lichtstrahl, der bei einer Höhe h + Δh in die
Eingangsblende eintritt, erreicht daher das Objekt bei
einer Höhe H + ΔH. In diesem Fall erreicht unter der
Annahme, daß die Lichtintensität nicht verloren geht,
während das Licht durch die Linsen wandert, der
Radientenfluß, der durch den Bereich ΔS&sub1; zwischen dem Kreis
mit dem Radius h und mit dem Radius h + Δh geschickt
wird den Bereich ΔS&sub2; zwischen dem Kreis mit dem Radius
H und dem Kreis mit dem Radius H + ΔH. Dies Bereiche
ΔS&sub1; und ΔS&sub2; sind wie folgt wiedergegeben:
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ΔS&sub1; = π {(h + Δh)²-h²} (4)
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ΔS&sub2; = π {(H + ΔH)²-H²} (5)
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Unter der Annahme, daß die Beleuchtung bei der
eintretenden Höhe h an der Eingangsblende A als e definiert
ist, kann die Beleuchtung E bei der Beleuchtungshöhe H
auf dem Objekt P wie folgt ausgedrückt werden:
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E = e (ΔS&sub1;/ΔS&sub2;) = e (2hΔ + Δh²)/(2HΔH + ΔH²) = e (Δh/ΔH) {(2h + Δh)/(2H + ΔH)} (6)
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Wird sodann angenommen, daß ΔH unendlich nahe an null
gebracht wird, ergeben sich die folgenden Gleichungen:
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lim (Δh/H) = (dh/dH) (7)
ΔH ∞
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lim (2h + Δh)/(2H + ΔH) = (h/H) (8)
ΔH ∞
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Die Formel (6) kann sodann wie folgt ausgedrückt
werden:
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E = e * f (H) (9),
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wobei f (H) = (dh/dH) (h/H).
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Um die Beleuchtung in dem Umfangsbereich des
Gegenstandes zu vergrößern, ist das optische System nach der
Erfindung so ausgebildet, daß es die nachfolgende
Ungleichung erfüllt:
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f (0) ≤ f (H) (9')
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In dem Fall, daß die Beleuchtung e in der
Eingangsblende A als konstant unabhängig von der Eintrittshöhe h
betrachtet werden kann, mit anderen Worten, in dem
Fall, in dem die Beleuchtungsverteilung in der
Eintrittsblende A gleichförmig ist, gibt die vorerwähnte
Funktion f (H) die relative Beleuchtung auf dem Objekt
P in Verbindung mit der Beleuchtung e an.
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Die relative Beleuchtung bei der Beleuchtungshöhe H = 0
auf dem Objekt P wird durch die Funktion f (0)
repräsentiert, wobei die relative Beleuchtung bei der
Beleuchtungshöhe H = 0 durch die Funktion f (H)
ausgedrückt wird.
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In dem paraxialen Bereich kann die Beleuchtungshöhe H
wie folgt ausgedrückt werden.
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H = -{(a'-f)/fa'}b'h (10)
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Die Funktion f(0) kann wie folgt ausgedrückt werden:
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f (0) = [fa'/{(a'-f)b'}]² (11)
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wobei a' der Abstand zwischen der Lichtquelle und dem
primären Hauptpunkt, f die Fokuslänge und b' der
Abstand zwischen dem wirklichen Bild der Lichtquelle und
dem Objekt ist.
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Es wird jetzt auf Fig. 9 Bezug genommen. Diese zeigt
eine schematische Ansicht einer Beleuchtungsvorrichtung
nach der vorliegenden Erfindung, wobei die
Beleuchtungsvorrichtung eine Lichtquelle 1, eine ellipsoiden
Spiegel 2, der bezüglich der Lichtquelle vorgesehen
ist, ein optisches System 3, beispielsweise als
Fliegenauge
ausgebildet, eine Diffusionsplatte 4, eine
unmittelbar hinter der Diffusionsplatte angeordnete, zu
reproduzierende Vorlage 5, eine Projektionslinse 6 und
ein fotoempfindliches Material 7, in dieser Reihenfolge
aufweist. Die Lichtquelle 1 ist eine Quecksilberlampe,
bezüglich der der ellipsoide Spiegel so ausgebildet
ist, daß sein Ausgangsende einen Radius von 170 mm hat.
Das optische System 3 ist 500 mm von dem Ausgangsende
der Lichtquelle entfernt. Von dem marginalen Ende des
Spiegels 3 reflektiertes Licht bildet 18,8 Grad relativ
zu der optischen Achse, die von dem optischen System 3
aufzufangen sind. Licht, das von dem optischen System 3
austritt, trifft auf die Diffusionsplatte 4, durch die
das Licht für eine gleichförmige Beleuchtung der
Vorlage geeignet gut verteilt wird. Die Diffusionsplatte 4
ist um 1.000 mm weg von dem Ausgangsende des optischen
Systems 3 angeordnet. Die Vorlage 5, beispielsweise
eine transparente Vorlage, ist unmittelbar hinter der
Diffusionsplatte angeordnet. Die Projektionslinse 6 ist
so ausgebildet, daß ihre Fokuslänge 600 mm beträgt,
wobei die Projektionslinse um 1200 mm von der Vorlage 5
entfernt angeordnet ist. Das fotoempfindliche Material
7 ist 1200 mm von dem Ausgangsende der
Projektionslinse entfernt angeordnet. In diesem Fall wird der
Gesamtbereich einer Vorlage mit 900 mm in der Diagonale
beleuchtet und das beleuchtete Bild auf das
fotoempfindliche Material in einer 1 : 1 Vergrößerung projiziert.
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Es wurde oben erwähnt, daß das optische System 3 als
Fliegenauge ausgebildet ist, wobei eine Mehrzahl von
ein Element bildenden optischen Systeme zweidimensional
ausgerichtet sind. In den im folgenden gezeigten
Ausführungsbeispiel ist nur ein solches Element eines
optischen Systems dargestellt.
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Im folgenden werden Beispiele des optischen Systems 3,
das in der in Fig. 9 gezeigten Beleuchtungsvorrichtung
verwendet wird, beschrieben. In den nachfolgenden
Beispielen sind die jeweiligen in Fig. 8 gezeigten
optischen Elemente so ausgebildet, daß die Fokuslänge der
Linse L (beispielsweise des optischen Systems 3 von
Figur 9) 1,0 ist, der Abstand zwischen der Lichtquelle LS
und dem optischen System L (d. h. des optischen Systems
3 in Fig. 9) 50 beträgt und die Größe der Lichtquelle
LS 2a' * tan ω ist.
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In dem Fall, daß eine Fläche asphärisch ausgebildet
ist, wird eine derartige asphärische Fläche sowohl mit
der der optischen Achse entsprechenden Z-Koordinate und
der der Höhe auf der optischen Achse entsprechenden
Y-Achse definiert und der Wert der Z-Koordinate wird
durch die folgende Gleichung angegeben.
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Z = CY²/[1 + {1-(K + 1) C² Y²}1/2] + A&sub1; Y&sup4;-A&sub2; Y&sup6; + A&sub3; Y&sup8; + A&sub4; Y¹&sup0; (12)
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wobei C = 1/r (r ist der Radius der Krümmung); K eine
konische Konstante und A&sub1;, A&sub2;&sub1; A&sub3; und A&sub4; asphärische
Konstanten sind.
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Nach der vorliegenden Erfindung zeigt das in der
Beleuchtungsvorrichtung wie in Fig. 9 gezeigt wird,
verwendete optische System 3 zwei optische Einheiten, die
zwei Linsen aufweisen, die erste optische Einheit weist
eine einzige positive Linse mit einer rückwärtigen
Fläche, die konvex ausgebildet ist, die zweite optische
Einheit weist eine einzige positive Linse auf, deren
Vorderfläche konkav ausgebildet ist und deren
Rückfläche konvex ausgebildet ist, wobei das optische System
so ausgebildet ist, daß es die nachfolgenden
Gleichungen erfüllt:
-
-0.68 ≤ {(1-n&sub1;)/r&sub2; + (n&sub3;-1)/r&sub3;}f ≤ 0.90 (90)
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0.67 ≤ {(1-n&sub3;)/r&sub4;}f (91)
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wobei f die zusammengesetzte Fokuslänge des optischen
Systems als Ganzes ist; r&sub2;, r&sub3; und r&sub4; die Radien der
Krümmung der Rückfläche der optischen Einheit, der
vorderen und der rückwärtigen Flächen der zweiten
optischen Einheit sind und n&sub1; und n&sub3; die Refraktionsindizes
der ersten und der zweiten optischen Einheiten sind.
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In diesem Ausführungsbeispiel sind sowohl der Abstand a
zwischen der Lichtquelle und der Vorderfläche des
optischen Systems und der Abstand b' zwischen der
rückwärtigen Fläche des optischen Systems und dem Objekt
ausreichend groß im Vergleich zu der zusammengesetzten
Fokuslänge f. Das Zwischenbild der Lichtquelle wird in
der Nähe der zweiten Linse ausgebildet, während das
Bild der Eingangsblende A auf dem Objekt durch die
zweite Linse abgebildet wird.
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Dieses Ausführungsbeispiel erfüllt im wesentlichen
dieselben Funktionen wie das vierte Ausführungsbeispiel.
Beispielsweise sind, wie in Fig. 11 gezeigt, die
auftreffenden Strahlen, die in das optische System
eindringen, der Refraktionskraft der rückwärtigen Fläche
der ersten Linse L&sub1; unterworfen und dann bei der
größeren Eintrittshöhe, mit der der Strahl eintritt, um so
stärker wirkt die Refraktionskraft der rückwärtigen
Fläche der ersten Linse auf dieselbe aufgrund der
sphärischen Aberration. Der Schnitt I&sub1; sowohl des
Randstrahles Q&sub1; und die optische Achse Z sind entsprechend
vor dem Schnittpunkt I&sub2; des paraxialen Strahlen Q&sub2; und
der optischen Achse angeordnet.
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Die rückwärtige Fläche r&sub4; der zweiten Linse L&sub2; ist
hinter den Schnittpunkten I&sub1; und I&sub2; angeordnet und hat
eine starke Refraktionskraft. Die Refraktionskraft der
Fläche r&sub4; wird nicht auf den Randstrahl Q&sub1; wirken und
die divergierende Funktion wird statt dessen auf den
paraxialen Strahl Q&sub2; wirken. Das optische System nach
diesem Ausführungsbeispiel steuert den Austrittswinkel
der Strahlen, die bei einer relativ großen
Auftrittshöhe eintreten, so daß die Verringerung der Beleuchtung
in dem peripheren Bereich des Objekts wirksam
überwunden wird.
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Die rückwärtige Fläche der ersten Linse L&sub1; bewirkt das
positive Koma, was impliziert, daß die rückwärtige
Fläche r&sub2; der ersten Linse L&sub1; innerhalb des Bereiches
definiert ist, in der die auftreffende Höhe auf die
rückwärtige Fläche r&sub4; der zweiten Linse L&sub2; eines
Randstrahles Q&sub3; nicht übermäßig groß wird, wie in Fig. 12
erkennbar ist. Dies beruht darauf, daß dann, wenn die
auftreffende Höhe auf die rückwärtige Fläche r&sub4; der
zweiten Linse übermäßig groß ist, der Austrittswinkel R
davon im Gegensatz dazu übermäßig klein wird aufgrund
der Refraktionskraft auf der Fläche r&sub4;, und der
wirksame Beleuchtungsbereich wird entsprechend klein werden.
-
Das optische System nach diesem Ausführungsbeispiel ist
dazu ausgebildet, die Ungleichungen (90) und (91) zu
erfüllen:
-
-0.68 ≤ {(1-n&sub1;)/r&sub2; + (n&sub3;-1)/r&sub3;}f ≤ 0.90 (90)
-
0.67 ≤ {(1-n&sub3;)/r&sub4;}f (91)
-
Die Ungleichung (91) setzt so voraus, daß die
Beleuchtungsverteilung auf dem Gegenstand gleichmäßig ist oder
in dem peripheren Bereich erhöht ist und daß ein großer
Beleuchtungsbereich sichergestellt ist. Sowohl die
Summer
der Refraktionskräfte der rückwärtigen Fläche der
ersten Linse L&sub1; und der vorderen Fläche der zweiten
Linse L&sub2; und die Refraktionskraft der rückwärtigen
Fläche der zweiten Linse wird konjugierte Beziehung
zwischen der Eintrittsblende und dem Objekt beeinflussen.
-
Wenn der Wert von {(1-n&sub1;)/r&sub2; + (n&sub3;-1)/re} f kleiner
ist als -0.68, wird ein Zwischenbild an der
Eintrittsblende übermäßig klein werden, infolgedessen wird der
wirksame Beleuchtungsbereich klein.
-
Wenn der Wert von {(1-n&sub1;)/r&sub2; + (n&sub3;-1)/re} f größer
ist als 0.90, wird die Refraktionskraft der
rückwärtigen Fläche der zweiten Linse klein, um die
Konjugationsbeziehung zu erhalten. Die rückwärtige Fläche r&sub4; der
zweiten Linse wird sodann nicht erheblich die
Beleuchtungsverteilung beeinflussen und die Verringerung der
Beleuchtung wird daher, wenn der Wert von {(1-n&sub1;)/r&sub2;
+ (n&sub3;-1)/re} f größer ist als 0.90 und der Wert von
{(1-n&sub3;)/r&sub4;} f kleiner ist als 0.67 in dem
Zwischenbereich übermäßig groß wird und die Beleuchtung in dem
peripheren Bereich wird weiter verringert.
-
Es wurden hier Beispiele des optischen Systems dieses
Ausführungsbeispiels beschrieben und in den
nachfolgenden Beispielen ist das optische System L (d. h. das
optische System 3 in Fig. 9) derart ausgebildet, daß der
Durchmesser der Lichtquelle gleich 17,64 (maximaler
Eintrittswinkel: ωmax = 10 Grad); der Abstand a zwischen
der Lichtquelle und der Eintrittsblende = 50; der
Abstand zwischen der rückwärtigen Fläche des optischen
Systems und dem Objekt = 100; der Abstand des Objekts -
90 (maximaler Austrittswinkel: Rmax = 24.2 Grad); der
effektive Durchmesser der Linse = 1,0; und die
zusammengesetzte Fokuslänge des optischen Systems als Ganzes
= 1.0.
ERSTES BEISPIEL
-
Es wird jetzt auf Fig. 10 Bezug genommen, die eine
Seitenansicht des optischen Systems 3 dieses Beispiels
zeigt, wobei das optische System zwei optische
Einheiten aufweist, das zwei Linsen L&sub1; und L&sub2; beinhaltet,
wobei das optische System die nachfolgenden Gleichungen
erfüllt:
-
{(1-n&sub1;)/r&sub2; + (n&sub3;-1(/r&sub3;} f = -0.011 (92)
-
{(1-n&sub3;)/r&sub4;} f = 1.429 (93)
-
Die Linsendaten des optischen Systems sind in Tabelle
31 dargestellt.
TABELLE 31
-
Fig. 13 zeigt eine Beleuchtungsverteilung auf dem
Objekt, aus der sich ergibt, daß die
Beleuchtungsreduktion in dem Zwischenbereich innerhalb 3% liegt und daß
die Beleuchtung in dem peripheren Bereich wirksam
erhöht ist. Dieses Beispiel ist ein Standardfall unter
den Beispielen.
ZWEITES BEISPIEL
-
Es wird auf Fig. 14 Bezug genommen, die eine
Seitenansicht eines optischen Systems 3 nach diesem Beispiel
zeigt, wobei das optische System zwei optische
Einheiten mit zwei Linsen L&sub1; und L&sub2; aufweist, wobei das
optische System die nachfolgenden Gleichungen erfüllt:
-
{(1-n&sub1;)/r&sub2; + (n&sub3;} f = 0.895 (94)
-
{(1-n&sub3;)/r&sub4;} f = 0.676 (95)
-
Die Linsendaten dieses optischen Systems sind in
Tabelle 32 dargestellt.
TABELLE 32
-
Fig. 15 zeigt eine Beleuchtungsverteilung auf dem
Objekt, aus der sich ergibt, daß die Verringerung der
Beleuchtung in dem Zwischenbereich des Objekts innerhalb
einiger Prozent ist und daß die Beleuchtung in dem
peripheren Bereich dagegen um mehrere Prozent erhöht ist.
-
Dieses Beispiel ist der Fall, wenn der Wert von -(1 -
n&sub1;)/r&sub2; + (n&sub3;-1)/r&sub3;} f nahe dem Maximalwert der
Bedingungsformel (90) ist und der Wert von {(1-n&sub3;)/r&sub4;} f
nahe dem Minimalwert der Formel (51) ist.
DRITTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
-
Es wird auf Fig. 16 Bezug genommen, die eine
Seitenansicht eines optischen Systems 3 nach dem Beispiel
zeigt, wobei das optische System zwei optische
Einheiten mit zwei Linsen L&sub1; und L&sub2; aufweist, wobei das
optische System die nachfolgenden Gleichungen erfüllt:
-
{(1-n&sub1;)/r&sub2; + (n&sub3;-1)/r&sub3;} f = 0.522 (96)
-
{(1-n&sub3;)/r&sub4;} f = 0.911 (97)
-
Die Linsendaten dieses optischen Systems sind in
Tabelle 33 wiedergegeben.
TABELLE 33
-
Fig. 17 zeigt eine Beleuchtungsverteilung auf dem
Objekt aus der sich ergibt, daß die Verringerung der
Beleuchtung in dem Zwischenbereich innerhalb mehrerer
Prozente ist und daß die Beleuchtung in dem peripheren
Bereich ausreichend erhöht ist.
VIERTES BEISPIEL
-
Es wird jetzt auf Fig. 18 Bezug genommen, die eine
Seitenansicht des optischen Systems 3 dieses Beispiels
zeigt, wobei das optische System zwei optische
Einheiten aufweist mit zwei Linsen L&sub1; und L&sub2;, wobei das
optische System die nachfolgenden Gleichungen erfüllt:
-
{(1-n&sub1;)/r&sub2; + (n&sub3;-1)/r&sub3;} f = 0.680 (98)
-
{(1-n&sub3;)/r&sub4;} f = 0.742 (99)
-
Die Linsendaten dieses optischen Systems sind in
Tabelle 34 gezeigt.
Tabelle 34
-
Fig. 10 zeigt eine Beleuchtungsverteilung auf dem
Objekt, aus der sich ergibt, daß die
Beleuchtungsverringerung in dem Mittelbereich innerhalb mehrerer Prozent
ist und daß die Beleuchtung in dem peripheren Bereich
ausreichend erhöht ist.
FÜNFTES BEISPIEL
-
Es wird jetzt auf Fig. 20 Bezug genommen. Diese zeigt
eine Seitenansicht eines optischen Systems 3 nach
diesem Beispiel, wobei das optische System zwei optische
Einheiten mit zwei Linsen L&sub1; und L&sub2; aufweist und das
optische System die nachfolgenden Gleichungen erfüllt:
-
{(1-n&sub1;)/r&sub2; + (n&sub3;-1)/r&sub3;} f = 0.302 (100)
-
{(1-n&sub3;)/r&sub4;} f = 1.416 (101)
-
Die Linsendaten dieses optischen Systems sind in
Tabelle 35 gezeigt.
TABELLE 35
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Fig. 21 zeigt eine Beleuchtungsverteilung auf dem
Objekt, aus der sich ergibt, daß die Beleuchtung
innerhalb ± 3 Prozent über das Objekt ergibt.
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In den vorerwähnten Ausführungsbeispielen wird das
optische System 3 durch eine sogenannte Fliegenaugen-
Ausbildung dargestellt, bei dem eine Vielzahl von
Elementlinsen zweidimensional angeordnet sind. Eine solche
Fliegenaugen-Ausbildung ist insbesondere für die
Verwendung bei einer Beleuchtungsvorrichtung vorteilhaft.
-
Nach der vorliegenden Erfindung wird in dem Fall, daß
eine Projektionslinse 6 hinter einem zu beleuchtenden
Objekt (etwa einer Vorlage 5) angeordnet ist, wie in
Fig. 9 gezeigt, die Beleuchtungsverteilung auf einem
fotoempfindlichen Material 7 gleichförmig über die
Gesamtfläche sein trotz des vierten Kosinusgesetzes, das
durch die Projektionslinse verursacht wird. Die
Beispiele, in denen die Beleuchtung in dem peripheren
Bereich des Objekts erhöht wird, kann insbesondere
genutzt werden zur Gewinnung einer gleichförmigen
Beleuchtung aus dem fotoempfindlichen Material. Wenn,
beispielsweise das Beispiel, das in den Fig. 10 und
11-(A) bis 11-(C) in dem in Fig. 9 gezeigten
optischen System 3 verwendet wird, wird die
Beleuchtungsverteilung auf dem fotoempfindlichen Material 7
gleichförmiger werden. Diese Beleuchtungsverteilung ist in
Fig. 22 gezeigt.
ABGEWANDELTES AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
-
Es wird auf Fig. 23 Bezug genommen. Diese zeigt eine
andere Beleuchtungsvorrichtung nach der vorliegenden
Erfindung. Der Ausbau der Beleuchtungsvorrichtung ist
im wesentlichen derselbe, wie derjenige, der in Fig. 9
gezeigt ist, mit der Ausnahme der Verwendung einer
Fresnel-Linse. Die Fresnel-Linse 81 ist derart
ausgebildet, daß ihre Fokuslänge 1200 mm beträgt und ist
zwischen der Diffusionsplatte 4 und der zu
beleuchtenden Vorlage 5 angeordnet. Wenn die Fresnel-Linse 81 wie
oben angegeben angeordnet ist, wird die Beleuchtung des
peripheren Bereichs des fotoempfindlichen Materials
entsprechend dem dritten Kosinusgesetz verringert. Die
Anwendung des optischen Systems 3 wird jedoch die
Beleuchtungsverteilung auf dem fotoempfindlichen Material
7 korrigieren.
-
Die vorerwähnten Ausführungsbeispiele betreffen den
Fall, daß keine Vignettierung verursacht wird. Einige
Projektionslinsen können häufig eine Vignettierung
verursachen, wenn der Feldwinkel R&sub1; zunimmt. In diese Fall
kann die Beleuchtung auf dem zu erhellenden Objekt
durch das Produkt aus dem cos&sup4; R&sub1; und dem
Vignettierungsfaktor der verwendeten Projektionslinse
ausgedrückt werden.
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Fig. 24 zeigt ein Beispiel des Vignettierungsfaktors
einer Projektionslinse. In dem Fall, daß die
Beleuchtungsvorrichtung, die in Fig. 23 gezeigt ist,
verwendet wird, wird eine Verringerung der Beleuchtung
entsprechend dem dritten Kosinusgesetz verursacht, die
Beleuchtungsverteilung auf dem fotoempfindlichen Material
7 ergibt sich wie in Fig. 25 gezeigt, bei der die
Beleuchtungsverteilung innerhalb ± 5 ist.
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Obwohl die Erfindung gezeigt und beschrieben ist als
eine Beleuchtungsvorrichtung, soll es nicht auf die
gezeigten Einzelheiten begrenzt sein, da verschiedene
Modifikationen und strukturelle Änderungen ohne Lösung
von der vorliegenden Erfindung möglich sind.
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Ohne weitere Analyse gibt das Vorangehende eine
vollständige Offenbarung des Grundgedankens der
vorliegenden Erfindung, daß andere durch Anwendung allgemeiner
Kenntnisse diese für die verschiedenen Anwendungsformen
anpassen können, ohne Merkmale wegzulassen, daß,
ausgehend von dem Stand der Technik, wesentliche
Bestandteile der allgemeinen oder besonderen Aspekte dieser
Erfindung bilden.
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Aus den beiliegenden Ansprüchen ergibt sich, was als
neu beansprucht und durch das Patent geschützt sein
soll.