DE102006049169A1

DE102006049169A1 - Beleuchtungsanordnung

Info

Publication number: DE102006049169A1
Application number: DE102006049169A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dr. Kock
Original assignee: Punch Graphix Prepress Germany GmbH
Current assignee: XSYS Prepress NV
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2008-04-30
Also published as: US20100321659A1; JP2010507112A; EP2080053A1; WO2008046494A1

Abstract

Beleuchtungsanordnung (3) zur Ausleuchtung eines reflektiven Lichtmodulators (4) unter schrägem Lichteinfall, umfassend hintereinander entlang zu einer optischen Achse (10) eine Lichtquelle (6) mit einer ersten (19) und einer zweiten Achse (18), wobei die zweite Achse (18) senkrecht zur ersten Achse (19) angeordnet und eine Ausdehnung der Lichtquelle (6) in Richtung der ersten Achse (19) vorzugsweise kleiner ist als eine Ausdehnung der Lichtquelle (6) in Richtung der zweiten Achse (18), einen Homogenisator (9) zur Einkoppelung der von der Lichtquelle (6) emittierten Lichtstrahlung mit einer Eintrittsfläche (8) und einer Austrittsfläche (11) sowie eine Beleuchtungsoptik (12) zur Abbildung der Austrittsfläche (11) des Homogenisators (9) auf einen Lichtmodulator (4) unter Beibehaltung der Effizienz so zu gestalten, daß eine homogene Ausleuchtung des Lichtmodulators erzielbar ist, wird vorgeschlagen, daß die Lichtquelle (6) gegenüber dem Homogenisator (9) quer zur optischen Achse (10) verschoben angeordnet ist oder daß eine Emissionsrichtung (28) der Lichtquelle (6) gegenüber einer Flächennormalen (29) der Eintrittsfläche (8) des Homogenisators (9) in einem Winkel (30) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanordnung zur Ausleuchtung eines reflektiven Lichtmodulators unter schrägem Lichteinfall, umfassend hintereinander entlang einer optischen Achse eine Lichtquelle mit einer ersten und einer zweiten Achse, wobei die zweite Achse senkrecht zur ersten Achse angeordnet und eine Ausdehnung der Lichtquelle in Richtung der ersten Achse vorzugsweise kleiner ist als eine Ausdehnung der Lichtquelle in Richtung der zweiten Achse ist, einen Homogenisator zur Einkoppelung der von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlung mit einer Eintrittsfläche und einer Austrittsfläche sowie eine Beleuchtungsoptik zur Abbildung der Austrittsfläche des Homogenisators auf einen Lichtmodulator.
Die Erfindung betrifft gleichermaßen eine Belichtungsvorrichtung mit einer Beleuchtungsanordnung, einem von der Beleuchtungsanordnung unter schrägem Lichteinfall beleuchtbaren reflektiven Lichtmodulator sowie einer Abbildungsoptik zur Abbildung des Bildes des Lichtmodulators auf einer zu belichtenden Druckplatte.
Belichtungsvorrichtungen der eingangs genannten Art umfassen häufig eine Beleuchtungsanordnung der eingangs genannten Art.
Derartige Beleuchtungsanordnungen werden verwendet im Zusammenhang mit Projektionsoptiken wie etwa Bildprojektoren oder Projektionsfernseher oder auch Belichtungsvorrichtungen zur Belichtung von zu belichtenden Druckplatten.
Der in derartigen Belichtungsvorrichtungen eingesetzte reflektive Lichtmodulator bedingt, daß sowohl die Beleuchtungsanordnung als auch die Abbildungsoptik auf derselben Seite des Lichtmodulators angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich die Notwendigkeit, den einfallenden von dem auslaufenden Strahlengang zu trennen. Hierzu wird bei vielen Anwendungen, insbesondere bei solchen, in denen eine digitale Mikrospiegelanordnung (unter dem Markennamen DMD^TM bekannt) als Lichtmodulator verwendet wird, eine räumliche Trennung der Strahlengänge vorgenommen. Dies bedeutet jedoch, daß ein schräger Lichteinfall von der Beleuchtungsanordnung auf den reflektiven Lichtmodulator der Belichtungsvorrichtung gewählt werden muss. Dies führt geometrisch bedingt zu Verzerrungen, die eine inhomogene Ausleuchtung des Lichtmodulators zur Folge haben.
Eine gattungsgemäße Beleuchtungsanordnung umfasst einen Homogenisator, in welchen das aus einer Lichtquelle emittierte Licht eingekoppelt wird, um im Homogenisator homogenisiert zu werden. Am Ausgang des Homogenisators entsteht somit ein homogenisiertes Strahlenbündel als Ergebnis der homogenisierenden Wirkung des Homogenisators. Dieses wird mit Hilfe der Beleuchtungsoptik auf den Lichtmodulator abgebildet. Da sich der Lichtmodulator jedoch in einem für die Strahltrennung benötigten Winkel zur optischen Achse der Beleuchtungsanordnung befindet, entsteht auf dem Lichtmodulator aus geometrischen Gründen im Ergebnis eine inhomogene Ausleuchtung. Eine ursprünglich quadratische Querschnittsfläche des Beleuchtungsstrahls erhält aufgrund des schrägen Einfalls die Form eines konvexen Vierecks auf dem Lichtmodulator. Diese Inhomogenität ist jedoch für die Anwendung nicht akzeptabel.
Deshalb sind im Stand der Technik verschiedene Maßnahmen getroffen worden, um die inhomogene Ausleuchtung des Lichtmodulators zu kompensieren. Dies ist beispielsweise erforderlich, um eine qualitativ hochwertige Belichtung der Druckplatten zu erreichen. Ebenso muss bei Videoprojektionsanwendungen eine ungleichmäßige Anordnung des Lichtmodulators kompensiert werden, um gleichmäßige Projektionsbilder erzeugen zu können.
Beispielsweise ist aus der EP 1 141 780 B1 eine Belichtungsvorrichtung der eingangs genannten Art mit einer Beleuchtungsvorrichtung mit der eingangs genannten Art bekannt. Bei der bekannten Belichtungsvorrichtung dient ein aufwendiges System aus einer Feldlinse, welche sowohl von dem einfallenden als auch von dem auslaufenden Licht des Lichtmodulators durchlaufen wird, zur Strahlanpassung. Gemäß dem Stand der Technik werden die Strahlquerschnitte der auf eine Mikrospiegelanordnung einfallenden und reflektierten Strahlenbündel oval ausgestaltet, wobei ihre längere Querausdehnung im wesentlichen senkrecht zur aus Einfalls- und Ausfallsrichtung aufgespannten Ebene angeordnet sind. Zur Korrektur des schrägen Lichteinfalls auf die Mikrospiegelanordnung wird im Stand der Technik vorgeschlagen, daß im Strahlengang zwischen einem Kondensor und der Mikrospiegelanordnung ein Prisma angeordnet ist. Diese Vorgehensweise ist jedoch nachteilig, da für die Kompensation der Inhomogenität ein zusätzliches optisches Element erforderlich ist, welches zu Verlusten führt und die Material- und Justagekosten der Belichtungsoptik in unerwünschter Weise erhöht.
Aus der EP 1 212 198 B1 ist ebenfalls eine gattungsgemäße Belichtungsvorrichtung mit einer gattungsgemäßen Beleuchtungsanordnung bekannt. Bei dieser Belichtungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik wird zur Kompensation der inhomogenen Ausleuchtung der als Lichtmodulator dienenden Mikrospiegelanordnung vorgeschlagen, daß das Modulationsmuster, welches auf den Lichtmodulator aufgeprägt wird, zuvor elektronisch mit der Beleuchtungsintensität am Ort des Lichtmodulators rechnerisch kompensiert wird. Es wird also bei diesem Stand der Technik eine Überlagerung der Belichtungsdaten mit der Flächenintensitätsverteilung auf der Oberfläche des Lichtmodulators vorgenommen. Dieser Vorgang wird auch als Overlay-Technik bezeichnet.
Nachteilig hieran ist jedoch vor allem, daß bei der Overlay-Methode eine Homogenisierung des Ausgangsstrahlenbündels letztlich dadurch erreicht wird, daß alle Bildpunkte auf das Intensitätsniveau des Bildpunktes verbracht werden, an welchem die niedrigste Beleuchtungsintensität vorherrscht. Im Falle der Mikrospiegelanordnung als Lichtmodulator bedeutet dies, daß Pixel an besser ausgeleuchteten Bildpunkten länger ausgeschaltet bleiben, als es der eigentlichen Bildinformation entspricht. Dies geschieht, in dem der entsprechende Mikrospiegel so gekippt wird, daß das auftreffende Licht von dem auslaufenden Strahlengang wegreflektiert wird. Die Overlay-Methode führt somit dazu, daß der am schlechtesten ausgeleuchtete Bildpunkt die maximale Intensität aller Bildpunkte bestimmt. Man erhält deshalb bei diesem Stand der Technik ein System mit nachteilig vergleichsweise geringer Effizienz, unabhängig davon, ob die Optik und die optischen Elemente im übrigen optimiert gewählt sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsanordnung der eingangs genannten Art sowie eine Belichtungsvorrichtung mit einer gattungsgemäßen Beleuchtungsanordnung dahingehend zu verbessern, daß eine Kompensation von Inhomogenitäten bei der Ausleuchtung des Lichtmodulators ohne eine Verminderung der Effizienz erzielbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Beleuchtungsanordnung gelöst, indem die Lichtquelle gegenüber dem Homogenisator quer zur optischen Achse verschoben angeordnet ist. Gemäß der Erfindung wird also vorgeschlagen, daß die Lichtquelle nicht relativ zur optischen Achse mittig vor dem Homogenisator angeordnet ist. Stattdessen wird bewußt eine außermittige, dezentrale Orientierung gewählt. Hierdurch wird erreicht, daß am Ausgang des Homogenisators ein schräg verlaufendes Intensitätsprofil entsteht.
Bei geeigneter Wahl der Verschiebung der Lichtquelle gegenüber dem Homogenisator kann somit gemäß der Erfindung erreicht werden, daß aufgrund des schrägen Intensitätsprofils am Homogenisatorausgang die durch den schrägen Einfall des Beleuchtungsstrahls auf den Lichtmodulator bedingte Verzerrung des einfallenden Strahlprofils genau kompensiert wird. Hierbei erfolgt die Kompensation gemäß der Erfindung jedoch abweichend vom Stand der Technik prinzipiell ohne einen Effizienzverlust. Es geht keine Strahlungsenergie verloren durch den erfindungsgemäßen Kompensationsvorgang. Außerdem ist keine zusätzliche Optik erforderlich, was besonders kostengünstig ist. Stattdessen ist mit im Stand der Technik vorhandenen Komponenten durch eine gezielte Dejustierung die Kompensation auf einfache Weise ohne Effizienzminderung möglich.
Besonders günstig ist es in Ausgestaltung der Erfindung, wenn die Lichtquelle in Richtung der zweiten Achse verschoben angeordnet ist. Diese kann zum Beispiel bei Verwendung eines Lasers die langsame Achse sein. Als langsame Achse bezeichnet man bei Lichtquellen, welche aus einer Laserdiodenzeile bestehen, die Richtung der größeren Ausdehnung, also die Breite der Laserdiodenzeile.
In einer alternativen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung ist demgegenüber die Lichtquelle in Richtung der ersten Achse verschoben angeordnet. Diese kann zum Beispiel bei Verwendung eines Lasers die schnelle Achse sein. Als schnelle Achse bezeichnet man bei Beleuchtungsanordnungen mit einer Laserdiodenzeile als Lichtquelle die Höhenrichtung der Zeile, also die Richtung, welche im Vergleich zu einer Breite die kleinere Ausdehnung aufweist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung ist vorgesehen, daß die Lichtquelle in Richtung der ersten und der zweiten Achse eine kleinere Ausdehnung als der Homogenisator aufweist, wobei die Lichtquelle und der Homogenisator relativ zueinander derart ausgerichtet sind, daß eine Querschnittsfläche der Lichtquelle durch senkrechte Projektion in Richtung der optischen Achse auf den Homogenisator vollständig auf der Querschnittsfläche des Homogenisators abbildbar ist. Durch diese Anordnung ist sichergestellt, daß keine Lichtstrahlung verloren geht, in dem sie gleichsam an der Eintrittsfläche des Homogenisators vorbeigeleitet würde und dann für den Beleuchtungsstrahlengang verloren ginge. Eine dezentrale Verschiebung der Lichtquelle relativ zu der Eintrittsfläche des Homogenisators erfolgt gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung also nur in den Grenzen, welche durch die Ausdehnung der Eintrittsfläche des Homogenisators vorgegeben sind.
Die Homogenisierung der von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlung wird in weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besonders wirksam erzielt, wenn der Homogenisator als Integratorstab ausgebildet ist. Durch mehrfache Totalreflexion an den Innenflächen des Integratorstabes lässt sich eine sehr wirksame Durchmischung der Eingangsstrahlrichtungen an der Austrittsfläche des Homogenisators erzielen. Bei geeigneter Wahl des Homogenisatormaterials sowie bei entsprechender Vergütung der Ein- und Austrittsflächen des Homogenisators kann die Homogenisierung zudem mit dem Integratorstab gemäß der Erfindung auch mit besonders geringen Intensitätsverlusten erzielt werden.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung ist der Homogenisator als Lichttunnel ausgebildet. Das Prinzip der Homogenisierung durch einen Lichttunnel entspricht dem bei dem Integratorstab zugrundegelegten. Jedoch ist bei dem Lichttunnel im Unterschied zum Integratorstab die Strahlung von dem durch den Lichttunnel begrenzten Hohlraum geführt. Dies hat den besonderen Vorteil, daß weder im Innern des Lichttunnels eine Strahlungsabsorption erfolgt, noch entstehen Reflexionsverluste an der Eintrittsfläche, da an der Eintrittsfläche kein Medienübergang vorhanden ist.
Gemäß der Erfindung gestaltet sich die Homogenisierung besonders wirksam, wenn der Homogenisator eine rechteckige Querschnittsfläche aufweist.
In diesem Zusammenhang ist es nach der Erfindung bevorzugt, wenn ein Seitenverhältnis der Querschnittsfläche an den Lichtmodulator angepasst ist. Durch die Anpassung des Seitenverhältnisses der Querschnittsfläche der Austrittsfläche des Lichtmodulators an den Lichtmodulator lässt sich durch eine geeignete Beleuchtungsoptik die Austrittsfläche des Homogenisators auf die aktive Fläche des Lichtmodulators ohne geometrisch bedingte Überstrahlverluste projizieren. Es wird also vermieden, daß ein Teil des Lichts an dem Lichtmodulator vorbeigeführt wird.
In bevorzugter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung weist die Lichtquelle mindestens ein Laserdiodenmodul mit einer Glasfaser zur Einkopplung der von dem Laserdiodenmodul emittierten Lichtstrahlung auf. Laserdiodenmodule sind für Belichtungsanwendungen aufgrund ihres engen Emissionsspektrums und der damit verbundenen hohen Lichtausbeute besonders geeignet für die Erzielung einer hohen Effizienz einer Belichtungsvorrichtung. Zudem ist das kleine Etendue eines Laserdiodenmoduls vorteilhaft für eine besonders effiziente Beleuchtungsanordnung. Schließlich lassen sich mit Vorteil mehrere Laserdiodenmodule mit jeweils einer Glasfaser in Reihe zu einer Laserdiodenmodulzeile zusammenfügen, um eine höhere Intensität der emittierten Lichtstrahlung zu erhalten.
Die der Erfindung zugrundegelegte Aufgabe wird gleichermaßen gelöst durch eine gattungsgemäße Beleuchtungsanordnung, bei der die Emissionsrichtung der Lichtquelle gegenüber einer Flächennormalen der Eintrittsfläche des Homogenisators in einem Winkel angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass das von der Lichtquelle emittierte Licht schräg auf die Eintrittsfläche des Homogenisators trifft. Dies bewirkt aus geometrischen Gründen eine Verzerrung des ursprünglich im Wesentlichen homogenen Intensitätsprofils der Lichtquelle in allen Ebenen, welche parallel zur Eintrittsfläche des Homogenisators verlaufen. Im Ergebnis ist also auch das Intensitätsprofils des Lichtes an der Austrittsfläche des Homogenisators inhomogen. Diese durch die erfindungsgemäße Anordnung der Lichtquelle in einem Winkel zur Eintrittsfläche des Homogenisators gezielt herbeigeführte Inhomogenität an der Austrittsfläche des Homogenisators führt nun dazu, dass der Lichtmodulator, welcher seinerseits in einem Winkel zur Austrittsfläche des Homogenisators angeordnet ist, bei geeigneter Auslegung des Winkels zwischen Lichtquelle und Eintrittsfläche des Homogenisators homogen ausgeleuchtet wird. Diese homogene Ausleuchtung wird gemäß der Erfindung ohne prinzipbedingte Verluste erzielt.
Die Flexibilität bei der Erzeugung gewünschter Austrittsintensitätsprofile wird in Ausgestaltung der Erfindung besonders groß, wenn die Beleuchtungsanordnung gemäß der Variante der Erfindung zusätzlich nach einem der oben beschriebenen Ausführungsformen ausgestaltet ist.
Die Kombination einer Querverschiebung mit einer winkligen Anordnung von Lichtquelle und Homogenisator führt hier mit Vorteil zu einer optimierten Gestaltung der Austrittsintensität an der Homogenisatoraustrittsfläche.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Belichtungsvorrichtung der eingangs genannten Art, bei welcher die Beleuchtungsanordnung nach einem der oben beschriebenen Ausführungsformen ausgestaltet ist.
Die von einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung erzeugte Beleuchtung mit schrägem Intensitätsprofil dient bei geeigneter Einstellung des Intensitätsprofilverlaufs zur vollständigen Kompensation der durch den schrägen Lichteinfall auf den Lichtmodulator bedingten Inhomogenität durch die geometrischen Verzerrung. Man erhält somit gemäß der Erfindung im Ergebnis eine sehr homogene Ausleuchtung des Lichtmodulators, ohne zu diesem Zwecke die Effizienz der Belichtungsvorrichtung zu vermindern. Ferner sind für die Kompensation der geometrisch bedingten Inhomogenität durch den schrägen Einfall weder zusätzliche Datenverarbeitungsschritte, etwa zur Berechnung eines Overlay-Bildes, erforderlich, noch sind zusätzliche Elemente, wie etwa ein Prisma, von Nöten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Belichtungsvorrichtung ist der Lichtmodulator als Mikroelektromechanisches System (MEMS), vorzugsweise digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD^TM), ausgebildet. Insbesondere DMDs sind augrund der schnellen Reaktionszeiten der einzelnen Spiegel und der mittlerweile verfügbaren hohen Auflösungen dieser Spiegelmatrizen eine etablierte Technik für den Lichtmodulator. Im Unterschied zu auf Flüssigkristallen basierten Lichtmodulatoren weisen DMDs und andere MEMS den Vorteil auf, daß eine Modulation des einfallenden Lichtes unabhängig von dessen Polarisierung möglich ist. Verluste durch vorgeschaltete Polarisatoren, wie sie bei Flüssigkristall-basierten Systemen prinzipiell erforderlich sind, entfallen deshalb mit Vorteil. Die aktuelle Generation von DMD-Chips zeichnet sich durch einen erhöhten Kippwinkel von 12° aus. Dies hat einerseits den Vorteil, daß eine einfachere räumliche Trennung des einfallenden von dem ausgehenden Strahl möglich ist. Andererseits erhöht sich aber die geometrische Verzerrung des von der Beleuchtungsanordnung erzeugten Eingangsstrahls auf das DMD. Dies lässt sich jedoch gemäß der Erfindung durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung ohne Verlust an Effizienz problemlos und kostengünstig kompensieren.
Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme einer Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind.
Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit den selben Bezugszeichen versehen.
Die Figuren der Zeichnungen zeigen im Einzelnen:
1: schematische Darstellung einer Belichtungsvorrichtung gemäß der Erfindung mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung;
2: eine Detaildarstellung der Beleuchtungsanordnung aus 1 zur Veranschaulichung der relativen Position der Lichtquelle zu der Indikatoreintrittsfläche in einer Schnittdarstellung entlang der Linie II-II in 1;
3: räumliche Intensitätsverteilung in Richtung der langsamen Achse der Lichtquelle an der Eintritts- (a) bzw. Austrittsfläche (b) des Homogenisators bei einer herkömmlichen Anordnung gemäß dem Stand der Technik;
4: räumliche Intensitätsverteilung in Richtung der langsamen Achse der Lichtquelle an der Eintritts- (a) bzw. Austrittsfläche (b) des Homogenisators bei einer Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung;
5: räumliche Intensitätsverteilung am Lichtmodulator für die Beleuchtung gemäß 4 (Erfindung) und zum Vergleich 3 (Stand der Technik);
6: eine Detaildarstellung einer erfindungsgemäßen Variante der Beleuchtungsanordnung aus 1 zur Veranschaulichung der relativen Position der Lichtquelle zu der Indikatoreintrittsfläche, wobei die Perspektive der in 1 gezeigten entspricht.
7: räumliche Intensitätsverteilung in Richtung der langsamen Achse der Lichtquelle an der Eintritts- (a) bzw. Austrittsfläche (b) des Homogenisators bei einer Beleuchtungsanordnung gemäß einer Alternative der Erfindung.
Die 1 zeigt schematisch eine Belichtungsvorrichtung 1 zum Belichten einer Druckplatte 2. Die Belichtungsvorrichtung 1 besteht im wesentlichen aus einer Beleuchtungsoptik 3, einem Lichtmodulator 4 sowie einer Abbildungsopitik 5. Die Beleuchtungsoptik 3 umfasst eine nicht dargestellte Laserdiodenmodulzeile. In der Laserdiodenmodulzeile ist jeder einzelnen Laserdiode eine Faser zugeordnet, in welche das von der einzelnen Laserdiode emittierte Licht eingekoppelt wird. Die Einzelfasern 6 sind zu einem Faserbündel 7 zusammengefaßt. Das Faserbündel 7 ist auf eine Eintrittsfläche 8 eines Integratorstabes 9 gerichtet. Die Eintrittsfläche 8 erscheint in der schematischen Draufsicht der 1 als Linie.
Die Beleuchtungsoptik 3 weist eine in der 1 schematisch als Strich-Punktlinie gezeigte optische Achse 10 auf. Der Integratorstab 9 hat eine Austrittsfläche 11. Die Austrittsfläche 11 des Integratorstabs 9 erscheint wiederum in der schematischen Draufsicht aus 1 als Linie. In Richtung der optischen Achse 10 ist hinter dem Integratorstab 9 in der Austrittsfläche 11 eine Linse 12 angeordnet. In einem Winkel zur optischen Achse der Beleuchtungsoptik 3 der Belichtungsvorrichtung 1 ist eine digitale Mikrospiegelvorrichtung DMD^TM 4 angeordnet. Das DMD 4 weist eine aktive Spiegelmatrix auf (in der Draufsicht aus 1 nicht dargestellt), welche in einer aktiven Modulationsebene 13 angeordnet ist. Die Modulationsebene 13 erscheint in der 1, welche als Draufsicht konzipiert ist, ebenfalls nur als Linie. In Richtung des Strahlengangs schließt sich an das DMD 4 die Abbildungsoptik 5 an, welche gegenüber von der Druckplatte 2 angeordnet ist.
Weiter ist in 1 ein Eingangsstrahlenbündel 14 sowie ein Ausgangsstrahlenbündel 15 zu erkennen. Das Eingangsstrahlenbündel 14 fällt in der Figur von links auf das DMD 4 ein und verlässt die Modulationsebene 13 des DMD 4 nach Reflexion in Form des Ausgangsstrahlenbündels 15. Schließlich zeigt die 1 ein Belichtungsstrahlenbündel 16. Das Belichtungsstrahlenbündel 16 verläuft von der Abbildungsoptik 5 auf die Druckplatte 2.
Die 2 ist eine Seitenansicht in Richtung der optischen Achse 10 der Beleuchtungsoptik 3. Zu erkennen ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie II-II aus 1, welche die Eintrittsfläche 8 des Integratorstabs 9 beinhaltet. Die Einzelfasern 6 des Faserbündels 7 sind, wie in der 2 zu erkennen, nebeneinander in einer Reihe angeordnet. Die Figur zeigt insgesamt vier Einzelfasern 6. Eine Mittellinie der Eintrittsfläche 8 des Integratorstabs 9 ist in der 2 mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnet. Die Gesamtheit der fünf Einzelfasern 6 des Faserbündels 7 weist eine langsame 18 und eine schnelle Achse 19 auf. Die langsame Achse 18 verläuft parallel zu einer Breite der Gesamtheit der Einzelfasen 6, wohingegen die schnelle Achse 19 parallel zu einer Höhe der Gesamtheit der Einzelfasern 6 verläuft. Jede Einzelfaser 6 weist eine Ummantelung 20 auf.
Wie in der 2 zu erkennen, befindet sich eine Einzelfaser 6 in der Darstellung gemäß 2 im wesentlichen links von der Mittellinie 17 der Eintrittsfläche 8 des Integratorstabs 9, wohingegen sich zwei der Einzelfasern 6 im wesentlichen rechts von der Mittellinie 17 der Eintrittsfläche 8 des Integratorstabs 9 befinden. Die Lichtquelle aus der Gesamtheit der Einzelfasern 6 ist somit dezentral zu der Eintrittsfläche 8 des Integratorstabs 9 orientiert. Die dezentrale Orientierung bezieht sich entsprechend der in 2 dargestellten Perspektive auf eine Richtung quer zur optischen Achse 10 der Beleuchtungsoptik 3. Genauer gesagt, ist die aus der Gesamtheit der Einzelfasern 6 gebildete Lichtquelle in Richtung der langsamen Achse 18 relativ zu der Mittellinie 17 der Eintrittsfläche 8 des Integratorstabs 9 verschoben.
Der Integratorstab 9 ist 6 mm breit. Der Durchmesser jeder Einzelfaser beträgt 1,0 mm, wobei abzüglich der Ummantelung 20 der aktive Durchmesser der Fasern 6 0,9 mm beträgt. In 2 ist die dezentrale Ausrichtung zur Verdeutlichung besonders ausgeprägt dargestellt. In der Praxis haben sich mit den genannten Abmessungen des Integrators und der Einzelfasern Querverschiebungen von ca. 0,6 mm als günstig erwiesen.
Im Betrieb der Belichtungsvorrichtung wird das von den in der 1 nicht dargestellten Laserdioden emittierte Licht in den zu den Faserbündeln 7 verbundenen Einzelfasern eingekoppelt. Am Ausgangsende des Faserbündels 7 sind die Einzelfasern 6 wie in 2 nebeneinander angeordnet, so daß das in ihnen geleitete Licht aus den Einzelfasern 6 heraus auf die Eintrittsfläche 8 des Integratorstabs 9 trifft.
Die Strahlung trifft sodann in den Integratorstab 9 ein und wird dort an den Innenwänden des Integratorstabs 9 mehrfach reflektiert und auf diese Weise homogenisiert. In der Eintrittsfläche 8 des Integratorstabs 9 weist die von dem Faserbündel 7 emittierte Lichtstrahlung eine schmale Eintrittsintensitätsverteilung 21 auf, wie in 3a schematisch gezeigt. Die Diagrammdarstellung gemäß 3a zeigt jeweils an der Intensitätsachse 22 eine relative Intensität der Lichtstrahlung und in der horizontalen Achse 23 eine Ortskoordinate parallel zur langsamen Achse 18. Auf dieser Ortsachse 23 ist die Mittellinie 17 der Eintrittsfläche 8 des Integratorstabs 9 schematisch eingezeichnet. Genau genommen sollte die Mittellinie 17 auf der eindimensionalen Ortsachse 23 nur als Punkt erscheinen, da in dem Intensitätsdiagramm gemäß 3a und 4a die vertikale Achse die Intensität darstellt und keine Ortskoordinate.
Die in 3a dargestellte Intensitätsverteilung entspricht jener bei einer herkömmlichen Beleuchtungsoptik 3. Bei dieser herkömmlichen Beleuchtungsoptik ist im Unterschied zu der in 2 gezeigten Anordnung eine zentrische Ausrichtung der Lichtquelle relativ zu der Mittellinie 17 der Eintrittsfläche 8 des Integratorstabs 9 vorgesehen. Dies führt zu der in 3a gezeigten herkömmlichen Intensitätsverteilung, welche symmetrisch um die Mittellinie 17 herum angeordnet ist.
Im Unterschied dazu führt die in 2 gezeigte dezentrale Orientierung der Lichtquelle relativ zu der Mittellinie 17 der Eintrittsfläche 8 des Integratorstabs 9 zu der in 4a gezeigten 21a an der Eintrittsfläche 8 des Integratorstabs 9 in Richtung der langsamen Achse 18. Wie in 4a zu erkennen, ist die Eintrittsintensitätsverteilung 21a gegenüber der Mittellinie 16 nach rechts verschoben und keinesfalls mit der Mittellinie 17 zentriert.
An der Austrittsfläche 11 des Integratorstabs 9 entstehen je nach gewählter Ausrichtung der Eintrittsintensitätsverteilung 21 relativ zu der Mittellinie 17 der Eintrittsfläche 8 des Integratorstabs 9 unterschiedliche Austrittsintensitätsverteilungen 24, 24a. Bei der herkömmlichen Ausrichtung der Lichtquelle relativ zu der Mittellinie 17, welche die optische Achse 10 der Beleuchtungsoptik 3 schneidet, wenn also die Lichtquelle zu der Eintrittsfläche 8 des Integratorstabs 9 zentriert ausgerichtet ist, in sowohl der schnellen als auch der langsamen Achse 18, erhält man an der Austrittsfläche 11 des Integratorstabs 9 die in 3b skizzierte Intensitätsverteilung 24. Wie zu erkennen ist, die Intensität gleichmäßig über die Breite der Austrittsfläche 11 der Austrittsfläche 8 des Integratorstabes 9 verteilt.
Demgegenüber ist bei dezentraler Orientierung der Lichtquelle relativ zur Eintrittsfläche 8 des Integratorstabs 9, wie in 4a und 2 gezeigt, die Intensitätsverteilung 24a in der Austrittsfläche 11 des Integratorstabs 9 wie in 4b verdeutlicht. Wie in 4b weiter zu erkennen, weist die Austrittsintensitätverteilung 24a einen von links nach rechts schräg ansteigenden Verlauf auf.
In 5 ist die Intensitätsverteilung in der Modulationsebene 13 des DMD 4 gezeigt, wobei die dargestellte Ortsachse in der Zeichenebene nach 1 verläuft. Das Diagramm gemäß 5 zeigt zum Vergleich die Modulationsintensitätsverteilung 25 in der Modulationsebene 13 des DMD 4 für den Fall der 3a und b, welche wie erwähnt den Stand der Technik betreffen.
Die im Stand der Technik aus der zentrierten Einkopplung der Lichtquelle in den Integratorstab 9 erhaltene Austrittsintensitätsverteilung 24 gemäß 3b führt in der Modulationsebene 13 in der Darstellung in 5 zu der herkömmlichen Modulationsintensitätsverteilung 25. Wie zu erkennen, führt die geometrische Verzerrung aufgrund des schrägen Einfalls der Lichtstrahlen aus der Beleuchtungsoptik 3 auf das DMD 4, also aufgrund der Orientierung der optischen Achse 10 der Beleuchtungsoptik 3 in einem Winkel zu einer Flächennormalen 27 zur Modulationsebene 13, zu einer von links nach rechts abfallenden Intensität. Die homogene Austrittsintensitätsverteilung 24 aus 3b wird im Stand der Technik also in die von links nach rechts stark abfallende inhomogene Intensitätsverteilung 25 verzerrt.
Demgegenüber ergibt sich bei einer Beleuchtung des DMD 4 unter schrägem Lichteinfall auf die Modulationsebene 13 des DMD 4 mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsoptik 3, welche die erfindungsgemäße Austrittsintensitätsverteilung 24a gemäß 4b aufweist, eine Modulationsintensitätsverteilung 26 in der Modulationsebene 13. Die Modulationsintensitätsverteilung 26 gemäß der Erfindung ist im Gegensatz zu der Modulationsintensitätsverteilung 25 im Stand der Technik nahezu homogen über die Ortsachse 23.
In 6 ist eine Detaildarstellung einer alternativen Ausführungsform einer Beleuchtungsanordnung 3 zu erkennen. Das generelle Layout dieser Variante der erfindungsgemäßen Beleuchtungsoptik 3 entspricht dem in 1 skizzierten Layout. Im Unterschied zu der in der Detaildarstellung von 2 weiter oben beschriebenen Anordnung der Lichtquelle relativ zu der Eintrittsfläche 8 des Integratorstabes 9 ist die relative Anordnung gemäß dieser Variante der Erfindung wie folgt gewählt:
Die Einzelfasern 6 des Faserbündels 7 sind so orientiert, dass eine Emissionsrichtung 28 nicht parallel zu einer Flächennormale 29 der Antrittsfläche 8 des Integratorstabes 9 verläuft, sondern in einem Winkel 30 zu dieser ausgerichtet ist. Durch diese Anordnung ergibt sich die in 7 skizzierte räumliche Intensitätsverteilung in Richtung der langsamen Achse der Lichtquelle an der Eintritts- bzw. Austrittsfläche des Integratorstabes. Der Winkel 30 kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kleiner als etwa 1° sein.
Die Darstellung der 7 entspricht im Prinzip den Darstellungen der 3 und 4. 7a zeigt die Intensitätsverteilung an der Eintrittsfläche 8 des Integratorstabes. Wie in der Figur zu erkennen, entspricht die Eintrittsintensitätsverteilung 21b an der Eintrittsfläche 8 des Integratorstabes 9 dem Verlaufe nach jener, welche man auch bei Beleuchtung gemäß dem Stand der Technik erhält. Insbesondere ist die Eintrittsintensitätsverteilung 21b gemäß 7a symmetrisch zu der Mittellinie 17 der Eintrittsfläche 18 des Integratorstabes 9. Die Lichtquelle ist gemäß dieser alternativen Ausführungsform der Erfindung jedoch nicht quer gegenüber dem Integratorstab 9 verschoben.
Demgegenüber erhält man an der Austrittsfläche 11 des Integratorstabes 9 die in 7b gezeigte Intensitätsverteilung 24b. Wie zu erkennen, ist die Austrittsintensitätsverteilung 24b, welche man mit der in 6 skizzierten winkligen Orientierung der Lichtquelle relativ zur Eintrittsfläche 8 des Integratorstabes 9 erhält, also asymmetrisch. Die Austrittsintensitätsverteilung 24b ist somit wie gewünscht inhomogen. Durch die Inhomogenität ist die Austrittsintensitätsverteilung 24b geeignet, unter schrägem Einfall auf das DMD 4 dieses homogen auszuleuchten.
Im Rahmen der Erfindung ist es ferner möglich, die Anordnungen gemäß der 2 (Querverschiebung) und 6 (Winkelstellung) miteinander zu kombinieren, um geeignete Austrittsintensitätsverteilungen 24, 24a, 24b zu erzielen. Dies ist in den Figuren nicht explizit dargestellt.
Somit ist gemäß der Erfindung eine Beleuchtungsanordnung 3 sowie eine Belichtungsvorrichtung vorgeschlagen, bei welcher trotz schrägen Lichteinfalls auf den Lichtmodulator eine homogene Intensitätsverteilung auf der Modulationsebene 13 des Lichtmodulators 4 bei hoher Effizienz erzeugbar ist.
Die erfindungsgemäße Belichtungsvorrichtung mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung kann insbesondere verwendet werden für die Belichtung von konventionellen Offset Platten oder anderen photosensitiven Materialien.
Typische Belichtungswellenlängen liegen zwischen 350 und 450 nm. Es lassen sich weiter Siebe für Siebruck, Flexodruckplatten, Proof-Materialien oder Stahlplatten zur Stanzmusterherstellung belichten. Die erfindungsgemäße Belichtungsvorrichtung für die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung eignet sich besonders für ein Belichtungsverfahren, bei welchem durch Relativbewegung der Belichtungseinheit zum zu belichtenden Material eine große Fläche strukturiert belichtet werden kann. Hierbei können die Bilder des Display entweder diskret nebeneinander gesetzt werden, wobei die Belichtungseinheit schrittweise verfährt und im Stillstand belichtet. Alternativ kann in die Belichtungseinheit kontinuierlich fahren und belichten, wobei der Bildinhalt auf dem Display gegenläufig bewegt wird, so daß auf dem zu belichtenden Material ein feststehendes Bild belichtet wird. So entstehenden Streifen lassen sich wiederum durch diskrete Schritte nebeneinander setzen.

1: Belichtungsvorrichtung
2: Druckplatte
3: Beleuchtungsoptik
4: digitale Mikrospiegelanordnung
5: Abbildungsoptik
6: Einzelfaser
7: Faserbündel
8: Eintrittsfläche
9: Integratorstab
10: optische Achse
11: Austrittsfläche
12: Linse
13: Modulationsebene
14: Eingangsstrahlenbündel
15: Ausgangsstrahlenbündel
16: Belichtungsstrahlenbündel
17: Mittellinie
18: langsame Achse
19: schnelle Achse
20: Ummantelung
21: Eintrittsintensitätsverteilung (Stand der Technik)
21a: Eintrittsintensitätsverteilung (Erfindung)
21b: Eintrittsintensitätsverteilung (Erfindungsvariante)
22: Intensitätsachse
23: Ortsachse
24: Austrittsintensitätsverteilung (Stand der Technik)
24a: Austrittsintensitätsverteilung (Erfindung)
24b: Austrittsintensitätsverteilung (Erfindungsvariante)
25: Modulationsintensitätsverteilung (Stand der Technik)
26: Modulationsintensitätsverteilung (Erfindung)
27: Flächennormale
28: Emissionsrichtung
29: Flächennormale
30: Winkel

Claims

Beleuchtungsanordnung (3) zur Ausleuchtung eines reflektiven Lichtmodulators (4) unter schrägem Lichteinfall, umfassend hintereinander entlang einer optischen Achse (10) eine Lichtquelle (6) mit einer ersten (19) und einer zweiten Achse (18), wobei die zweite Achse (18) senkrecht zur ersten Achse (19) angeordnet und eine Ausdehnung der Lichtquelle (6) in Richtung der ersten (19) Achse vorzugsweise kleiner als eine Ausdehnung der Lichtquelle (6) in Richtung der zweiten Achse (18) ist, einen Homogenisator (9) zur Einkoppelung der von der Lichtquelle (6) emittierten Lichtstrahlung mit einer Eintrittsfläche (8) und einer Austrittsfläche (11) sowie eine Beleuchtungsoptik (12) zur Abbildung der Austrittsfläche (11) des Homogenisators (9) auf einen Lichtmodulator (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (6) gegenüber dem Homogenisator (9) quer zur optischen Achse (10) verschoben angeordnet ist.
Beleuchtungsanordnung (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (6) in Richtung der zweiten Achse (18) verschoben angeordnet ist.
Beleuchtungsanordnung (3) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (6) in Richtung der ersten Achse (19) verschoben angeordnet ist.
Beleuchtungsanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (6) in Richtung der zweiten (18) und der ersten Achse (18) eine kleinere Ausdehnung als der Homogenisator (9) aufweist, wobei die Lichtquelle (6) und der Homogenisator (9) relativ zueinander derart ausgerichtet sind, daß eine Querschnittsfläche der Lichtquelle (6) durch senkrechte Projektion in Richtung der optischen Achse (10) auf den Homogenisator (9) vollständig auf der Eintrittsfläche (8) des Homogenisators (9) abbildbar ist.
Beleuchtungsanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Homogenisator (9) als Integratorstab ausgebildet ist.
Beleuchtungsanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Homogenisator (9) als Lichttunnel ausgebildet ist.
Beleuchtungsanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Homogenisator (9) an der Austrittsfläche (11) eine rechteckige Querschnittsfläche aufweist.
Beleuchtungsanordnung (3) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Seitenverhältnis der Querschnittsfläche an den Lichtmodulator (4) angepaßt ist.
Beleuchtungsanordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle mindestens ein Laserdiodenmodul mit einer Glasfaser (6) zur Einkopplung der von dem Laserdiodenmodul emittierten Lichtstrahlung aufweist.
Beleuchtungsanordnung (3) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Emissionsrichtung (28) der Lichtquelle (6) gegenüber einer Flächennormalen (29) der Eintrittsfläche (8) des Homogenisators (9) in einem Winkel (30) angeordnet ist.
Beleuchtungsanordnung (3) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgestaltet ist.
Belichtungsvorrichtung (1) mit einer Beleuchtungsanordnung (3), einem von der Beleuchtungsanordnung (3) unter schrägem Lichteinfall beleuchtbaren reflektiven Lichtmodulator (4) sowie einer Abbildungsoptik (12) zur Abbildung des Bildes des Lichtmodulators (4) auf einer zu belichtenden Druckplatte (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsanordnung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgestaltet ist.
Belichtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtmodulator (4) als Mikroelektromechanisches System (MEMS), vorzugsweise digitale Mikrospiegelvorrichtung (DMD^TM), ausgebildet ist.