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Die Erfindung betrifft eine Belichtungsvorrichtung
mit einer Lampe, einer Kondensoranordnung, einem Lichtmodulator,
einer Feldlinse und einem Projektionsobjektiv.
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Eine derartige Belichtungsvorrichtung,
die zur Belichtung von Druckplatten mit ultraviolettem Licht verwendet
wird, ist beispielsweise aus der
DE 195 45 821 A1 bekannt. Dabei wird die
abzubildende Vorlage mittels eines Computers in Teilbilder zerlegt und
die Teilbilder nacheinander auf einen elektronisch ansteuerbaren
Lichtmodulator, beispielsweise einen durchstrahlten LCD-Bildschirm
oder eine Mikrospiegelanordnung gebracht. Die Belichtungsvorrichtung
wird dann nach und nach über
die zu belichtende Druckplatte bewegt, wobei der Lichtmodulator jeweils
mit dem zugehörigen
Teilbild angesteuert wird.
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Bei Verwendung von Mikrospiegelanordnungen
(DMD, Digital Mirror Device), bei denen winzige Spiegel mit Kantenlängen von
wenige Mikrometern auf der Oberfläche eines Elektronikchips angeordnet und
durch elektronische Ansteuerung einzeln kippbar sind, ist der Kippwinkel
der Mikrospiegel begrenzt. Um den einfallenden Strahl je nach Ansteuerung
der Mikrospiegel entweder in das Projektionsobjektiv oder neben
dieses zu lenken, muss zwischen einfallenden und reflektierten Strahlen
ein spitzer Winkel eingehalten werden. Aufgrund dieser Umstände konkurrieren
die einfallenden und ausfallenden Strahlenbündel um denselben Raumwinkelbereich.
Deshalb sind die Querschnitte der in diesem Bereich angeordneten
optischen Elemente und damit auch die Querschnitte der Strahlenbündel beschränkt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine
Belichtungsvorrichtung mit möglichst
hoher Beleuchtungsstärke
bei gleichmäßiger Ausleuchtung
des zu belichtenden Objekts anzugeben.
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Die Lösung der Aufgabe besteht darin,
daß der
Lichtmodulator aus einer reflektierenden Mikrospiegelanordnung besteht,
vor der die Feldlinse derart angeordnet ist, daß der Strahlengang durch die Feldlinse
hindurch auf die Mikrospiegelanordnung und nach der Modulation und
spitzwinkligen Reflexion noch einmal durch die Feldlinse hindurch
verläuft.
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Durch die Kombination der Mikrospiegelanordnung
mit der Feldlinse kann man die Vorteile der Mikrospiegelanordnung,
nämlich
einen hohen Lichtdurchsatz, optimal ausnutzen, weil die doppelt
wirkende Feldlinse die Querschnitte des einfallenden und des ausfallenden
Strahlenbündels
verringert und damit trotz des geringen Raumwinkelangebots einen hohen
Lichtdurchsatz ohne Abschattungen gewährleistet.
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Der Lichtdurchsatz kann noch verbessert werden,
indem die Strahlquerschnitte der auf die Mikrospiegelanordnung einfallenden
und reflektierten Strahlenbündel
oval ausgestaltet und mit ihrer längeren Querausdehnung im wesentlichen
senkrecht zur aus Einfalls- und Ausfallsrichtung aufgespannten Ebene
angeordnet sind. Somit haben die Strahlenbündel in der Richtung, wo sie
um denselben Raumwinkel konkurrieren eine geringere Ausdehnung und in
der senkrecht dazu verlaufenden Richtung, in der keine Konkurrenz
herrscht, eine größere Ausdehnung,
die einen größeren Lichtdurchsatz
zur Folge hat.
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Die Erfindung kann dadurch noch verbessert werden,
daß im
Strahlengang des einfallenden Strahlenbündels nach dem Kondensor eine
Sammellinse mit großem
Durchmesser und nachfolgend eine Sammellinse mit kleinem Durchmesser
derart angeordnet sind, daß das
Strahlenbündel
von der großen Sammellinse
zur kleinen Sammellinse hin konvergiert und wieder divergiert, im
weiteren Verlauf bis zur Feldlinse fortschreitet und nach der Reflexion
an der Mikrospiegelanordnung und erneutem Durchgang durch die Feldlinse
so korrigiert wird, daß das
gesamte Bündel
vom Projektionsobjektiv transportiert wird. Dabei ist vorzugsweise
der optische Weg zwischen kleiner Sammellinse und Feldlinse näherungsweise gleich
dem optischen Weg zwischen Feldlinse und Projektionsobjektiv. Bei
dieser Anordnung befindet sich die kleine Sammellinse in der Nähe des Projektionsobjektivs,
wo der einfallende Strahl mit dem reflektierten Strahl um denselben
Raumwinkel konkurriert. Genau in diesem Bereich ist aber der Querschnitt
des einfallenden Strahlenbündels
infolge der Kombination aus großer
und kleiner Sammellinse mit Vorteil am geringsten.
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Die zu belichtenden Teilbilder haben
in einer einfachen Ausführungsvariante
die Form eines Rechtecks. Bei dieser Form besteht aber die Gefahr, daß die Ecken
des Rechtecks eine geringere Beleuchtungsstärke erhalten, als dessen Mitte.
Eine ungleichmäßige Belichtung
kann jedoch nicht hingenommen werden. Zwar könnte die Seitenlänge des Rechtecks
verkleinert werden, jedoch führte
dies zu einer größeren Gesamtbelichtungszeit,
weil für
die Belichtung des großflächigen Objekts
sehr viel mehr Einzelbelichtungen vorgenommen werden müßten.
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Um den Bereich der optimalen Belichtungsstärke möglichst
weitgehend ausnutzen zu können, wird
daher in einer anderen bevorzugten Ausführungsvariante vorgeschlagen,
daß die
Flächenstücke als
Sechsecke ausgebildet sind. Solche Sechsecke lassen sich genauso
wie Rechtecke zu einer lückenlosen
Fläche
zusammensetzen. Dabei haben aber die Ecken des Sechsecks einen geringeren
Abstand zur Flächenmitte
als die Ecken eines flächengleichen Rechtecks.
Deshalb kann bei der gleichen Zahl von Einzelbelichtungen eine gleichmäßigere Ausleuchtung
des zu belichtenden Objekts erzielt werden.
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Um die Vorrichtung insgesamt kompakter
zu gestalten, ist bei bekannten CtP-UV-Belichtungsvorrichtungen
für Druckplatten
die optische Achse von der Lampe bis zur Sammellinse hinter dem
Kondensor im wesentlichen rechtwinklig zur optischen Achse des Projektionsobjektivs
ausgerichtet, wobei letztere vorzugsweise vertikal ausgerichtet
ist, um die üblicherweise
horizontal angeordnete Druckplatte zu belichten. Um bei einer solchen
Belichtungsvorrichtung den spitzen Winkel zwischen dem auf die Mikrospiegelanordnung
einfallenden und dem reflektierten Strahlenbündel einzuhalten, werden zur
Strahllenkung mindestens zwei Planspiegel erforderlich, wobei im
Strahlengang nach der großen
Sammellinse ein erster Planspiegel angeordnet ist, von dem das Strahlenbündel durch
die kleine Sammellinse und gegebenenfalls durch weitere Planspiegel
hindurch auf einen letzten Planspiegel gelangt, der unmittelbar neben
dem Projektionsobjektiv angeordnet ist und das Licht im spitzen
Winkel zur Objektivachse durch die Feldlinse auf die Mikrospiegelanordnung
lenkt, von wo es in das Projektionsobjektiv fällt.
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Bei UV-Belichtungsvorrichtungen für Druckplatten
werden Gasentladungslampen verwendet, die aus technischen Gründen nur
funktionieren, wenn ihre Längsachse
vertikal ausgerichtet ist. Diese Lampen erzeugen einen ovalen Lichtfleck,
dessen Längsachse
ebenfalls vertikal ausgerichtet ist. Ein solcher vertikaler Leuchtfleck
wird aber durch die vorbeschriebene Spiegelanordnung derart reflektiert, daß seine
Längsachse
bezüglich
der Konkurrenzsituation im Raumwinkelbereich des Projektionsobjektivs ungünstig ausgerichtet
ist.
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Wegen des schrägen Einfalls des Strahlenbündels entsteht
in der Ebene der Mikrospiegelanordnung eine Verzerrung des beleuchtenden
Strahlenbündels.
Beispielsweise erhielte ein ursprünglich quadratisches Flächenelement
durch die Verzerrung die Form eines Trapezes im Beleuchtungsstrahlengang.
Das zum Ausgleich vorgesehene Prisma erzeugt nun eine gegenläufige Verzerrung,
die den Effekt infolge schrägen
Lichteinfalls ausgleicht.
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In einer anderen Ausführungsform
wird die ungleichmäßige Beleuchtungsstärke auf
der Mikrospiegelanordnung durch eine elektronisch erzeugte Maskierung
ausgeglichen. Dabei werden die Mikrospiegel so angesteuert, daß die zeitlich
gemittelte Reflektivität
in Flächenbereichen
mit höherer
Beleuchtungsstärke
geringer ist als in Flächenbereichen
mit geringerer Beleuchtungsstärke.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von
Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnungen. Die Figuren zeigen im einzelnen:
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1:
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung
im Schnitt;
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2:
eine Teilansicht gemäß Linie
A-A von 1.
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In 1 erkennt
man eine erfindungsgemäße Belichtungsvorrichtung
mit einer Lampe 1, einer Kondensoranordnung 2,
einem als Mikrospiegelanordnung 3 ausgebildeten Lichtmodulator,
einer direkt vor der Mikrospiegelanordnung 3 angeordneten Feldlinse 4 und
einem Projektionsobjektiv 5. Weiterhin ist im Strahlengang
nach dem Kondensor 2 eine große Sammellinse 6,
ein erster Planspiegel 7, eine Sammellinse 8 mit
kleinem Durchmesser und ein zweiter Planspiegel 9 angeordnet.
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Von einem Leuchtfleck 10 der
Lampe 1 geht ein divergentes Strahlenbündel 11 aus, das auf
die Kondensoranordnung 2 fällt und diese als paralleles Strahlenbündel 12 verläßt. Das
parallele Strahlenbündel 12 trifft
auf die große
Sammellinse 6, die daraus ein konvergentes Strahlenbündel 13 formt,
welches vor der Sammellinse 8 seinen kleinsten Querschnitt
erreicht. Das Strahlenbündel 13 wird
durch den ersten Planspiegel 7 schräg nach unten reflektiert und
erreicht die kleine Sammellinse 8. Von der kleinen Sammellinse 8 schreitet
das Strahlenbündel 14 nach
einer weiteren Reflexion am zweiten Planspiegel 9 schräg nach oben
fort und trifft dort auf die Feldlinse 4. Durch die Feldlinse 4 hindurch
fällt ein nicht
näher bezeichnetes
paralleles Strahlenbündel auf
die Mikrospiegelanordnung 3, wo es im spitzen Winkel reflektiert
wird und erneut durch die Feldlinse 4 hindurchtritt. Die
Feldlinse 4 formt aus den reflektierten Strahlen ein konvergentes
Strahlenbündel 15, welches
senkrecht nach unten in das Projektionsobjektiv 5 fällt.
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Der eingezeichnete Strahlengang trifft selbstverständlich nur
auf solche Strahlen zu, die nach der Modulation durch die Mikrospiegelanordnung 3 zur
Abbildung beitragen sollen. Diejenigen Mikrospiegel, die im Bild
einen hellen Punkt erzeugen sollen, werden entsprechend ausgelenkt.
Sie reflektieren dann die schräg
einfallenden Strahlen 14 als reflektierte Strahlen 15 nach
unten in das Projektionsobjektiv 5. Die übrigen sind
in einem anderen Winkel ausgerichtet und reflektieren die einfallenden Strahlen 14 in
der Darstellung von 1 links
am Projektionsobjektiv 5 vorbei, so daß an den entsprechenden Stellen
ein dunkler Bildpunkt entsteht.
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Wegen des begrenzten Auslenkungswinkels der
Mikrospiegel ist auch der Winkel 16 zwischen dem einfallenden
Strahlenbündel 14 und
dem reflektierten Strahlenbündel 15 auf
einen kleinen Wert begrenzt. Deshalb konkurrieren die beiden Strahlenbündel 14, 15 von
der Mikrospiegelanordnung 3 aus gesehen um denselben Raumwinkelbereich
mit der Folge, daß das
Projektionsobjektiv 5 und der zweite Planspiegel 9 in
unmittelbarer Nähe
zueinander angeordnet sein müssen.
Dadurch sind die Abmessungen des Projektionsobjektivs 5 und
des zweiten Planspiegels 9 senkrecht zur Strahlrichtung
begrenzt und die Querschnitte der Strahlenbündel 14, 15 müssen folglich
in diesem Bereich relativ gering ausfallen.
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Zur Anpassung des Querschnitts des
einfallenden Strahlenbündels 13 sind
die Sammellinsen 6, 8 vorgesehen, die so angeordnet
sind, daß das Strahlenbündel 14 die
Fläche
der Mikrospiegelanordnung 3 gerade ausleuchtet. Die Feldlinse 4 verhindert dann
ein Auseinanderlaufen des reflektierten Strahlenbündels 15,
so daß dieses
vollständig
in das Projektionsobjektiv 5 fällt.
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Wie man am besten in 2 erkennt, sind die Strahlquerschnitte 17, 18 des
einfallenden Strahlenbündels 14 und
des reflektierten Strahlenbündels 15 oval
ausgebildet und mit ihren in Richtung der Längsachsen 19, 20 ausgerichteten
längeren
Querausdehnungen senkrecht zur aus Einfallsrichtung 21 und
Ausfallsrichtung 22 aufgespannten Ebene (1) angeordnet.
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Wie man ebenfalls in 2 erkennt, sind die für die sukzessive Belichtung
einer großflächigen Druckplatte 23 durch
Teilbelichtungen aneinandergrenzende Flächenstücke 24 in Form von
Sechsecken ausgebildet. Sie können
aber auch rechteckig sein. Die Belichtungsvorrichtung wird sukzessive
von einem Flächenstück 24 zum
nächsten
verschoben, wobei die in der Mikrospiegelanordnung 3 erzeugten Teilbilder
auf elektronischem Weg entsprechend eingegeben werden. Dabei ist
die Belichtungsvorrichtung relativ kompakt ausgebildet, indem eine
zwischen der Lampe 1, dem Kondensor 2, der großen Sammellinse 6 bis
zum ersten Spiegel 7 verlaufende optische Achse 25 horizontal
ausgerichtet und die optische Achse 22 des Projektionsobjektivs 5 im
Interesse einer einfachen Belichtung der horizontalen Druckplatte 23 vertikal
ausgerichtet ist.
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Da der Leuchtfleck 10 der
Lampe 1 eine ovale Form aufweist, die mit ihrer Längsachse
vertikal ausgerichtet ist, ist es zweckmäßig, zwischen dem ersten Planspiegel 7 und
dem zweiten Planspiegel 9 in dem durch die Strichelung 28 angedeuteten
Bereich weitere Spiegel derart anzuordnen, daß die Längsachse des Leuchtfleckbildes
im Projektionsobjektiv 5 senkrecht zur aus Einfallsrichtung 21 und Ausfallsrichtung 22 der
Reflexion an der Mikrospiegelanordnung 3 aufgespannten
Ebene ausgerichtet ist.
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Um eine einfachere und schnellere
Nachführung
der Belichtungsvorrichtung in vertikaler Richtung für eine allgemeine
Abstandskorrektur zwischen Objektiv 15 und Druckplatte 23 zu
ermöglichen,
ist die Belichtungsvorrichtung in zwei Baugruppen 26, 27 aufgeteilt.
Die erste Baugruppe 26 beinhaltet die Lampe 1 und
den Kondensor 2, bei denen es sich um relativ schwere Bauelemente
handelt. Die Baugruppe 26 wird zwar zusammen mit der Baugruppe 27 in horizontaler
Richtung bewegt, nicht jedoch in vertikaler Richtung. Die zweite
Baugruppe 27 umfaßt
die nachfolgenden optischen Elemente, nämlich die große Sammellinse 6,
den ersten Planspiegel 7, die kleine Sammellinse 8,
den zweiten Planspiegel 9, die Feldlinse 4, die
Mikrospiegelanordnung 3 und das Projektionsobjektiv 5.
Trotz der Vielzahl der optischen Elemente ist die zweite Baugruppe 27 relativ leicht
und kann daher aufgrund ihrer mechanischen Trennung von der ersten
Baugruppe 26 mit relativ geringem Kraftaufwand sehr schnell
auf- und abbewegt werden, um eine Abstandskorrektur vorzunehmen.
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Im Strahlengang 13, 14 zwischen
dem Kondensor 2 und der Mikrospiegelanordnung 3 kann
zum Ausgleich des schrägen
Lichteinfalls auf die Mikrospiegelanordnung 3 ein nicht
gezeigtes Prisma angeordnet sein, beispielsweise an der Stelle der
Strichelung 28. Der Ausgleich der ungleichmäßigen Beleuchtungsstärke kann
aber auch durch eine elektronische Ansteuerung der Mikrospiegelanordnung 3 erfolgen,
wobei die stärker
beleuchteten Flächenabschnitte
elektronisch derart angesteuert werden, daß sie zeitlich gemittelt weniger
stark reflektieren, beispielsweise durch schnelles Hin- und Herkippen.
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Die beschriebenen optischen Bauteile
stellen jeweils einfache optische Elemente dar. Selbstverständlich erstreckt
sich die Erfindung aber auch auf Belichtungsvorrichtungen, bei denen
andere gleichwirkende optische Bauteile Verwendung finden, insbesondere
Kombinationsbauteile, die die Funktionen von zwei oder mehreren
optischen Elementen übernehmen.
Beispielsweise könnte
die kleine Sammellinse 8 und der zweite Planspiegel 9 durch einen
einzigen Konkavspiegel ersetzt werden, der beide Funktionen gleichzeitig
erfüllt,
oder die große Sammellinse 6 könnte in
die Kondensoranordnung 2 integriert werden. Weiterhin könnte die
Funktion der kleinen Sammellinse 8 durch zwei Linsen übernommen
werden, von denen eine im Strahlengang vor und eine nach dem zweiten
Planspiegel 9 angeordnet ist.
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- 1.
- Lampe
- 2.
- Kondensor
- 3.
- Mikrospiegelanordnung
- 4.
- Feldlinse
- 5.
- Projektionsobjektiv
- 6.
- große Sammellinse
- 7.
- erster
Planspiegel
- 8.
- kleine
Sammellinse
- 9.
- letzter
Planspiegel
- 10.
- Lichtfleck
- 11.
-
- 12.
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- 13.
- Strahlenbündel
- 14.
- Strahlenbündel
- 15.
- Strahlenbündel
- 16.
- Winkel
- 17.
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- 18.
-
- 19.
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- 20.
-
- 21.
- Einfallsrichtung
- 22.
- Ausfallsrichtung,
optische Achse
- 23.
- zu
belichtendes Objekt
- 24.
- Flächenstücke
- 25.
- optische
Achse
- 26.
- Baugruppe
- 27.
- Baugruppe
- 28.
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