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Verfahren zur homogenen Ausleuchtung von Objekt- und Bildebenen
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Bei praktisch allen optischen Geräten und Instrumenten ist eine möglichst
gleichförmige Beleuchtung der Objektebene und der Bildebene von ausschlaggebender
Bedeutung. Bei anspruchsvolleren Anwendungen genügt es darüberhinaus nicht, den
Strahlengang so auszubilden, daß die Beleuchtungsstärke über die ganze Fläche des
Objektfeldes und des Bildfeldes konstant ist; es ist vielmehr erforderlich, daß
die sekundäre Leuchtdichte im Bereich beider Felder innerhalb eines vorgegebenen
Winkelbereiches ebenfalls in guter Näherung konstant ist. Bei Berücksichtigung der
Tatsache, daß selbst bei den besten Beleuchtungsvorrichtungen nur die von einem
streng punktförmigen Bereich einer Lichtquelle ausgehenden Strahlen in ein Parallellichtbtindel
umgewandelt werden und daß bei der stets endlichen Ausdehnung aller in Frage kommenden
Lichtquellen stets eine ganze Schar von unterschiedliche Winkel mit der optischen
Achse einschließenden Parallellichtbündeln erzeugt wird, die darEb rhinaus in Abhängigkeit
von der spezifischen Lichtausstrahlung der einzelnen punktförmigen Bereiche unterschiedliche
Leuchtdichten aufweisen, ist es einleuchtend, daß eine vollka-en homogene Ausleuchtung
des Objektfeldes und des Bildfeldes im oben angegebenen Umfang selbst bei extrem
hohen konstruktiven Aufwand und bei Inkaufnahme eines äußerst geringen Wirkungsgrades
nur unvollständig erreicht werden kann. Da eine Analyse der Strahlengänge praktisch
aller bekannten Beleuchtungsvorrichtungen ergibt, daß jede Maßnahme zur örtlichen
änderung der Beleuchtungsstärke in der Objekt-oder der Bildebene eine Xnderung der
sekundären Leuchtdichteverteilung zur Folge hat, werden die oben genannten Schwierigkeiten
verständlich.
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Diese komplizierten Verhältnisse führen dazu, daß selbst bei guten
Diaprojektoren eine Abnahme der Helligkeit von der Mitte zum Rand des Bildes von
50% in Kauf genommen werden muß. Selbst bei photolithographischen Geräten zur Belichtung
der mit einer Photolackschicht überzogenen Halbleiterplättchen bei der Herstellung
von integrierten Schaltungen müssen Xnderungen der Helligkeit um + 7% in Kauf genommen
werden. Mit der fortschreitenden Miniaturisierung und der damit verbundenen höheren
Anforderung an die Genauigkeit aller beim FabrikationsprozeB zu berücksichtigenden
Parameter werden Homogenitäten der Ausleuchtung von besser als + 1% erforderlich.
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Zur Veranschaulichkeit der oben kurz angedeuteten Schwierigkeiten
wird im folgenden auf die grundsätzlich bei allen Beleuchtungsvorrichtungen vorliegenden
Verhältnisse eingegangen: Bei praktisch allen vorkommenden Beleuchtungseinrichtungen
befindet sich die Lichtquelle im Brennpunkt einer als Kondensor bezeichneten Linsengruppe.
Jeder Punkt der Licht+ quelle ist Ursprung eines Lichtstrahlenbündels, das den Kondensor
als Parallelstrahlenbündel verläßt.
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Bei Kontaktbelichtungsgeräten liegen in diesen Lichtbündeln die Kopiervorlagen
und das Aufzeichnungsmaterial. Aufzeichnungsmaterial.
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Bei Projektionsgeräten muß das Licht in das abbildende Objektiv gelangen,
daher folgt im Strahlengang dem Kondensor erst eine Sammellinse, so daß die zu projizierende
Vorlage sich zwangsläufig schon in einem erheblichen Abstand vom Kondensor befindet.
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Aus einer Reihe von Gründen (Platz, Größe der Linsen, Gewicht) versucht
man, die Brennweiten der Kondensoren relativ klein zu halten; in der Praxis liegen
die Brennweiten zwischen 35 un 75 mm. Zusammen mit der Tatsache, daß, abgesehen
von Lasern, alle bekannten Lichtquellen eine nennenswerte Ausdehnung der
lichterzeugenden
Zone aufweisen - im allgemeinen in der Größenordnung von zwei Millimetern - führt
dies zu einer merklichen Divergenz der von den einzelnen Lichtquellenpunkten herrührenden
Parallelstrahlenbündel und damit zu einem mit wachsendem Abstand zum Kondensor rasch
kleiner werdenden Bereich, in dem sich noch alle Einzelbündel überlagern. Hierzu
kommen Linsenfehler mannigfacher Art, so daß oft reichlich verwickelte und unübersichtliche
Verteilungen der Beleuchtungsstärke im Gesichtsfeld auftreten.
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Es hat sich gezeigt, daß selbst geringe Verbesserungen der Homogenität
der Ausleuchtung des Bildfeldes mit einem unverhältnismäßig hohen konstruktiven
Aufwand erkauft werden müssen, da die auftretenden Inhomogenitäten der Ausleuchtung
nicht durch Unvollkommenheiten der einzelnen Elemente, sondern allen bekannten Beleuchtungsvorrichtungen
notwendigerweise anhaftende Eigenschaften sind. Zur Herabsetzung dieser Inhomogenitäten
wurden Korrekturfilter mit örtlich unterschiedlicher Absorption verwendet, die möglichst
nahe am auszuleuchtenden Objekt angeordnet wurden, da sonst kein übersichtlicher
Zusammenhang zwischen den absorbierenden Stellen des Filters und den beeinflußten
Stellen in der Objektebene besteht. Aus diesem Grund müssen diese Filter bei sehr
fein strukturierten Objekten auch praktisch absolut strukturlos sein. Außerdem muß
die Grundabsorption sehr gering und neutral sein, da sonst die Lichtverluste und
die Wärmebelastung ein unerträgliches Auslmaß annehmen würden. Es hat sich gezeigt,
daß eine Herstellung solcher Filter durch Einbringen einer belichteten und fixierten
Photoplatte, die vorher an der gleichen Stelle belichtet wurde, wegen des Verlaufes
der Schwärzungskurven auch bei Spezialentwicklung nicht möglich war. Diese Korrekturfilter
wurden daher nach dem punktweise ausgemessenen Objektfeld "von Hand" unter Berücksichtigung
aller Prozeßfunktionen hergestellt. Der Wert solcherart mühsam hergestellten Filter
ist dennoch in der Regel schon deshalb nur sehr gering, da die Helligkeit im Bildfeld
sich üblicherweise bei jedem Lampenwechsel ändert.
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In der deutschen Auslegeschrift 2 211 702 wird eine faseroptische
Lichtübertragungsvorrichtung zur Beleuchtung des Sehfeldes einer photoelektrischen
Abtastvorrichtung beschrieben. Dabei wird die Lichtquelle auf die Eintrittsfläche
eines Glasfaserbündels abgebildet, dessen Austrittsfläche als Lichtquelle dient.
Mit dieser Vorrichtung wird jedoch keine homogene Ausleuchtung des Sehfeldes erreicht,
da die relative Strahlstärke dieser Lichtquelle in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel
einen starken Abfall nach den Randbereichen hin aufweist. In der deutschen Offenlegungsschrift
1 913 711 wird ein Beleuchtungssystem für optische Instrumente beschrieben, bei
dem die Faserelemente eines als Licht leiter dienenden Lichtbündels am lichtaufnehmenden
Ende zu Faserbündeleinheiten zusammengefaßt und diese in Gruppen angeordnet sind,
wobei die Faserbündeleinheiten am lichtaussendenden Ende in Gruppen angeordnet sind,
die eine andere und gleichmäßige Verteilung aber die Querschnittsfläche aufweisen.
Diese Vorrichtung ist zwar geeignet, die durch die besondere Form und Abstrahlcharakteristik
einer flächenhaften Lichtquelle entstehenden Fehler weitgehend auszugleichen, sie
hat aber den schwerwiegenden Nachteil, daß selbst bei hohem technischen Aufwand
eine relativ grobe Struktur und der seitliche Abfall der relativen Strahlstärke
als Funktion des Abstrahlwinkels nicht zu vereiden ist.
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Es hat sich gezeigt, daß in der Praxis fast ausschließlich die radialsynstrischen
Bestrahlungs stärkevertei lungen in den Objektfeldern von Bedeutung sind. Als besonders
vorteilhaft haben sich Bestrahlungsstärkeverteilungen mit einer sßgli chst großen,
konstanten zentralen Zone, insbesondere mit eine geringfUgigen Anstieg zum Rande
hin, erwiesen.
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Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, mit dem sich bei relativ kleinem konstruktiven
Aufwand und geringer Störanfälligkeit radialsymmetrische Bestrahlungsstärkeverteilungen
in den Objekt- und Bildfeldern erzeugen lassen und mit dem sich etwaige störende
Inhomogenitäten in der Radialverteilung auf einfache Weise bei geringstem technischen
Aufwand ausgleichen lassen. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 beschriebene
Erfindung gelöst.
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Gegenüber den vorbekannten Maßnahmen zur Homogenisierung der Ausleuchtung
von Objekt- und Bildbereichen, bei denen die Homogenisierung, beispielsweise wie
im Falle der oben beschriebenen räumlichen Korrekturfilter, trotz hohem technischen
Aufwand nur unvollstandig erzielt werden konnte, können mit Hilfe der vorliegenden
Erfindung mit geringem technischen Aufwand Ausleuchtungen mit sehr guter Radialsymmetrie
erzeugt werden.
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Etwaige Abweichungen von der gewünschten Radialsymmetrie können durch
einfache Mittel, nämlich durch örtliche Einführung in den Strahlengang von nahezu
beliebig geformten durchsichtigen oder in geeignetem Umfang absorbierenden Blenden
mit großer Genauligkeit ausgeglichen werden.
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Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 die Strahlstärke eines Lichtleiters als Funktion
des Abstrahlwinkels; Fig. 2 die schematische Darstellung der Ubertragungseigenschaften
einer einzelnen Lichtleitfaser eines eines Glasfaserbündels bei schrägem Einfall
auf die Eingangsfläche;
Fig. 3 die schematische Darstellung der
Strahlstärke als Funktion des Abstrahlwinkels am Ausgang einer Lichtleitfaser bei
verschiedenen Winkeln der auf die Eingangsseite der Lichtleitfaser auftreffenden
Strahlung; Fig. 4 eine schematische Darstellung der Einstrahlwinkelpositionen; Fig.
5 eine aus Ringen zusammengesetzte, die Verteilung der in Fig. 1 verursachenden
Beleuchtungsapertur; Fig. 6 die gleiche Apertur wie in Fig. 5, jedoch mit einem
abgedeckten Bereich; Fig. 7 die schematische Darstellung eines Eingriffs in die
Beleuchtungsapertur nach den Fign. 4 und 5; Fig. 8 die schematische Darstellung
einer Beleuchtungsapertur mit vier Stellungen einer undurchsichtigen Blende; Fig.
9 die Strahlstärke der am Ausgang eines Lichtleiters auftretenden Strahlung als
Funktion des Abstrahlwinkels bei verschiedenen Stellungen einer gemäß Fig. 8 in
die Beleuchtungsapertur eingebrachten ringförmigen Blende; Fig. 10 die schematische
Darstellung eines Strahlenganges zur Veranschaulichung der bei einer Beleuchtungsvorrichtung
vorliegenden Gegebenheiten.
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Fig. 11 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Läßt man auf die Eingangsfläche eines aus einem einzelnen Glasstab
oder einer einzelnen Glasfaser bestehenden Lichtleiters eine im wesentlichen parallele
Strahlung in Richtung der Lichtleiterachse einfallen, so entsteht an der Ausgangsseite
des Lichtleiters die in Fig. 1 als Funktion des Abstrahlwinkels dargestellte Verteilung
der Strahl stärke.
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In Fig. 2 wird eine Vorrichtung dargestellt, die aus einem Glasfaserbündel
1 mit einer Eintrittsfläche 2 und einer Austrittsfläche 3 besteht. Die Funktion
der Vorrichtung wird unter Berücksichtigung des durch eine einzige Glasfaser 4 tibertragenen
Lichtes erläutert. Ferner ist ein Auffangschirm 7 vorgesehen, auf dem die durch
das aus der Fläche 3 austretende Licht erzeugte Helligkeitsverteilung 8 entsteht.
Ein Lichtstrahl 5 mit verschwindender Divergenz <Parallellichtbündel) wird Mit
einer Neigung T gegen die Faserachse auf die Eintrittsfläche 2 gerichtet. Am Austrittsende
der Glasfaser, die nur kurz zu sein braucht und einen beliebigen Verlauf haben kann,
treten Lichtstrahlen 6 aus, die den Raum zwischen zwei Kegelmänteln mit den halben
öffnungswinkeln 6 + E und 6 -,vollkammen ausfüllen. Die Spitzen dieser Kegel liegen
in der Austrittsfläche der Faser und ihre Symmetrieachsen stellen eine Verlangerung
der Faserachse im Bereich der Austrittsebene dar. Der Winkel 6 wächst mit dem Winkel
y streng monoton bis zu einem Maximalwert Y % o. Dabei kann die Dicke der Faser
unberücksichtigt bleiben. Der Winkel 2£ hängt von den Faserparametern wie Länge,
Durchmesser, Glätte der Oberfläche, Homogenität, Qualität der Ein- und Austrittsflächen
usw.) ab.
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In Fig. 3 werden Ouerschnitte der am Austrittsende 3 der Glasfaser
auftretenden Strahlstärken 10, 20, 30 als Funktion des Abstrahlwinkels 6 für drei
verschiedene Einstrahlwinkelpositionen 11, 21, 31 dargestellt. Nach dem bisher gesagten
ist es ohne weiteres einleuchtend, daß die Position 31 eines Strahlenbndels durch
die Positionen 32, 33 oder 34 eines Strahlenbündels,
d.h., ganz
allgemein durch ein Strahlenbündel mit einer Position 32, 33 oder 34 ersetzt werden
kann, um eine Verteilung 30 zu erzeugen. Aus den obigen Ausführungen ist zu erkennen,
welche Einstrahlrichtung in einen Lichtleiter mit welchem Gewicht gewählt werden
muß, um eine angestrebte radialsymmetrische Verteilung zu erhalten. Aus praktischen
Gründen wird man jedoch diesem rein additiven Verfahren ein subtraktives Verfahren
vorziehen.
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In Fig. 5 wird gezeigt, wie man sich die gesamte, die in Fig.
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1 wiedergegebene Verteilung erzeugende Beleuchtungsapertur aus ringförmigen
Bereichen zusammengesetzt denken kann. Dementsprechend ist einzusehen, was aus einer
teilweisen Abdeckung der Apertur, beispielsweise wie in Fig. 6 dargestellt durch
eine Blende 40, entsteht. Es ist von der bei Beleuchtung durch eine ungestörte Apertur
entstehenden Gesamtverteilung eine Verteilung abzuziehen, wie sie zustande käme,
wenn die Faser über eine dieser teilweisen inneren Abdeckung komplementäre Blende
beleuchtet würde.
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Die relative Form der abzuziehenden Verteilung wird durch und Y2 gegeben,
der absolute Betrag durch a1 und a2.
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Wie in Fig. 7 schematisch angedeutet, sind auch Eingriffe durch mehrere
Blenden, beispielswiese durch Blenden 41 und 42 nöglich. Die Blenden sind hier rechteckig
geformt und können m gezeigte» Beispiel einzeln entlang der Richtungen X bzw.
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verschoben werden.
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Wn Fig. 8 wird eine Beleuchtungsapertur mit vier verschiedenen lagen
42, 43, 44, 45 einer Blende dargestellt, denen in Fig. 9 hie Verteilungen 52, 53,
54 und 55 entsprechen. Die Verteilung tritt bei Entfernung der Blende aus der Beleuchtungsapertur
i"uf
In Fig. 10 wird der Beleuchtungsstrahlengang einer bekannten
Vorrichtung zur telezentrischen Beleuchtung einer Objektebene dargestellt. Die Vorrichtung
besteht aus einer in der Ebene El angeordneten Lichtquelle 60, deren Abstrahlcharakteristik
etwa der eines Cosinusstrahles entspricht, Linsen 62, 63, 64, 65, 66 und Blenden
71, 72. Die Ebenen El, E3, E5 bzw. E2, E4 und E6 sind zueinander konjugierte Ebenen.
In dieser Darstellung ist der Kondensor aus Gründen der Übersichtlichkeit in zwei
voneinander getrennte Teile, nämlich den eigentlichen Lampenkondensor 62 und die
Hilfslinse 63, aufgeteilt. In der Praxis bilden diese Linsen eine gedrängte Baugruppe.
Die Ebene E3 wird dann leicht divergent bestrahlt und der Abstand zwischen der Linse
64 und der Blende 72 muß etwas vergrößert werden.
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Zur Erhöhung der Übersichtlichkeit ist von der Vielfalt der von den
als Cosinusstrahler ausgebildeten Lichtquelle 60 ausgehenden Strahlen nur ein Parallelstrahlenbündel
61 dargestellt, das die von allen Punkten der Lichtquelle in der eingezeichneten
Richtung ausgehenden Strahlen enthält. Es ist leicht einzusehen, daß die Schar aller
die Apertur der Linse 62 durchsetzenden Parallellichtbündel alle Strahlen enthält,
die von der Lichtquelle 60 ausgehend die Apertur dieser Linse durchsetzen. Die Strahlungsdichteverteilung
in der Objektebene E6 ist gegeben durch die Strahlungsdichteverteilung in der Ebene
E4, sofern die abbildenden Elemente 65 und 66 keine Verfälschung verursachen. Die
Abstände zwischen der Ebene E3 und der Linse 64 bzw. der Linse 64 und der Ebene
E4 entsprechen der Brennweite F der Linse 64. Die Abstände zwischen der Ebene E2
und der Linse 63 bzw. zwischen dieser Linse und der Ebene E3 entsprechen der beleuchtungsseitigen
Brennweite F63 der Hilfslinse 63. Eine konstante Strahlungsdichteverteilung über
die Fläche der Ebene E4 (Beleuchtungsstärke bzw.
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Bestrahlungsstärke) und somit über die Objektebene E6 wird erreicht
durch eine konstante Strahlungsdichteverteilung über den Winkel (Lichtstärke bzw.
Strahlstärke in der Fläche E3.
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Dabei ist der Winkel zwischen dem Parallelstrahlbündel 61 und der
optischen Achse 6 gleich arc. Tangens (r/F64>.
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Wie im vorhergehenden schon ausführlich dargelegt, kann die in der
Ebene E3 geforderte Konstante Strahlungsdichteverteilung über den Winkel (Lichtstärke
bzw. Strahlstärke) mit den Ublichen Hilfsmitteln einschließlich der Korrekturfilter
mit örtlich unterschiedlicher Absorption (z. B. in der Nähe von E2) nicht ausreichend
genau erreicht werden. Um die geschilderten Probleme zu lösen, wird, wie in Fig.
11 dargestellt, der in Fig. 10 dargestellte Strahlengang in der Ebene E3 aufgetrennt
und in die Trennstelle ein beispielsweise aus einem Glasfaserbündel 67 bestehendes
Element eingefügt, welches bei Beleuchtung mit einem Parallellichtbündel unter dem
Winkel y ein Hohlgegelbündel mit einem halben öffnungswinkel 6 erzeugt. Der Einfallwinkel
y und die Eigenschaften der einzelnen Glasfasern werden so gewählt, daß 6 annähernd
y ist. Bei dem in Fig. 11 dargestellten Strahlengang liegt das Glasfaserbündel 67
zwischen den Ebenen E3 und E3A. Die Funktion der in Fig. 11 dargestellten Vorrichtung
ergibt sich aus der Beschreibung der Fig. 2 im Zusammenhang mit den Fign. 3 bis
6, insbesondere den Fign. 7, 8 und 9.
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Zur Homogenisierung der Ausleuchtung der in der Ebene E4 liegenden
Leuchtfeldblende E4 und des in der Ebene E6 liegenden Objektfeldes werden im Bereich
der Ebene E2 exzentrisch oder konzentrisch Blenden mit geeigneter Form und aus geeignetem
Material eingebracht. In Fig. 11 ist der Einfachheit halber in der Ebene E2 nur
eine einzige Steuerblende 73 eingezeichnet,
die mit Hilfe nicht
dargestellter Mittel radial verschiebbar ist. Die Steuerblenden können aus lichtundurchlässigem
Material oder aus Graufiltermaterial bestehen. Auch Blenden aus Farbfiltermaterial
können verwendet werden, wenn z. B. durch chromatische Aberration bestehende Ausleuchtungsfehler
zu beseitigen sind. Bewirken die hinter der Ebene E3A folgenden Linsen Fehler in
der Ausleuchtung der Objektebene oder der Bildebene, können diese in der Regel ebenfalls
durch in die Steuerebene E2 einbringbare und in dieser verschiebbare Blenden ausgeglichen
werden.
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Es können auch andere als gleichförmige Strahlungsverteilungen hergestellt
werden, sofern sie radialsymmetrisch sind oder Ausschnitte daraus darstellen. Die
Steuerung der in der Steuerebene E2 angeordneten Blenden kann auch automatisch durch
Messung der Leuchtdichte im Bereich der in der Ebene E4 gelegenen Leuchtfeldblende
71, im Bereich des in der Objektebene E6 gelegenen Objektfeldes oder im Bereich
eines in der Figur nicht dargestellten Bildfeldes unter Verwendung einer einfachen
Prozessoreinheit automatisch durchgeführt werden.
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Aus den obigen Ausführungen ist zu ersehen, daß bei den in den Fign.
10 und 11 dargestellten Strahlengängen bei einer homogenen Ausleuchtung der Ebenen
E4 und E6 auch die Bildebenen homogen ausgeleuchtet sein werden.
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Es ist selbstverständlich auch möglich, falls erforderlich, im Zusammenhang
mit der vorliegenden Erfindung auch einzelne oder mehrere der in der Beschreibungseinleitung
als zum Stande der Technik gehörend bezeichnete Maßnahmen zur Homogenisierung der
Ausleuchtung zu verwenden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die durch die vorliegende
Erfindung ermöglichte Bomogenitat der Ausleuchtung auch für die höchsten Ansprüche
ausreichend ist.
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