DE2934397A1

DE2934397A1 - Hochleistungs-lichtquelle

Info

Publication number: DE2934397A1
Application number: DE19792934397
Authority: DE
Inventors: Howard B Lovering
Original assignee: GCA Corp
Current assignee: GCA Corp
Priority date: 1978-09-05
Filing date: 1979-08-24
Publication date: 1980-03-20
Also published as: GB2029562B; US4206494A; FR2443642A1; GB2029562A; JPS5535397A; CH634155A5

Description

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GCA Corporation Bedford, Massachusetts ol73o V.St.A.

Hochleistungs-Lichtquelle

Die Erfindung betrifft Lichtquellen, insbesondere Hochleistungs-Beleuchtungseinrichtungen, die sich bei mikrophotographischen Prozessen einsetzen lassen, wie sie etwa bei der Herstellung integrierter Schaltungen angewandt werden.

Bei der Herstellung integrierter Schaltungen müssen typischerweise sehr feine Bildmuster auf photographischem Wege entweder direkt auf Halbleitermaterialien oder auf als Zwischenbildträger dienenden Masken erzeugt werden. Zur Erzielung hochauflösender Bilder ohne gleichzeitig sehr lange Belichtungszeiten muß eine Lichtquelle oder eine Beleuchtungseinrichtung verwendet werden, die große Helligkeit liefert und zugleich in gewissen Grenzen die Eigenschaften einer Punktlichtquelle besitzt. Weitere wichtige Eigenschaften sind die Gleichmäßigkeit des bestrahlten Felds so-

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wie eine möglichst geringe zusätzliche Hitzeentwicklung.

Während derzeit in fast allen Fällen bestimmte Lampen, typischerweise Quecksilber-Hochdrucklampen, als Lichtquellen eingesetzt werden, liegt das Interesse nicht mehr auf der Anwendung immer stärkerer Lampen, da Lampen mit höherer Leistung zur Erzielung einer höheren Lichtleistung größere Lichtbogen- oder Glühdrahtabmessungen mit sich bringen. Unabhängig von dem jeweils angewandten optischen Verfahren muß daher die Ausgangsapertur der Lichtquelle entsprechend größer sein, wenn nicht ein bedeutender Teil der verfügbaren Lichtenergie hierdurch ausgeblendet werden soll. Es besteht daher außerordentlich hohes Interesse an der Entwicklung von Lichtquellen mit höherem Wirkungsgrad und höherer Leistung, ohne daß lediglich die Leistungsaufnahme der Lampe erhöht wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochleistungs-Beleuchtungseinrichtung (im folgenden kurz als Lichtquelle bezeichnet) anzugeben, die sich für mikrophotographische Prozesse eignet und einer Punktlichtquelle nahekommt, wobei ein relativ hoher Prozentsatz des von einer gegebenen Lampe verfügbaren Lichts gesammelt und in wirksamer Weise durch eine Austrittsöffnung abgegeben und zugleich eine Punktlichtquelle angenähert wird; die Lichtquelle soll zugleich relativ einfach aufgebaut und billig herzustellen sein und hohe Betriebssicherheit besitzen.

Die Aufgabe wird anspruchsgemäß gelöst.

Die Erfindung gibt eine Hochleistungs-Lichtquelle

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an, die einer Punktlichtquelle angenähert ist und Licht längs einer gegebenen Achse emittiert; die erfindungsgemäße Lichtquelle ist gekennzeichnet durch eine auf der Achse vorgesehene Lampe, die Licht in Radialrichtung von der Achse abstrahlt, mindestens drei radial um die Lampe herum und nahe bei ihr angeordnete Sammellinsensysteme zum Sammeln der von der Lampe abgegebenen Lichtstrahlung, außerhalb jedes Sammellinsensystems jeweils angeordnete Reflexionselemente zur Lenkung der gesammelten Lichtstrahlung in einen schräg zur Lampenachse gerichteten Strahl, wobei die betreffenden reflektierten Strahlen im wesentlichen konvergent sind, sowie eine auf der Achse vorgesehene Einrichtung zur Vereinigung der konvergenten Strahlen zur Annäherung einer axial emittierenden Punktlichtquelle.

Die Einrichtung zur Vereinigung der Strahlen besteht vorzugsweise aus einem Faseroptikbündel, das in aus der Achsenrichtung herausgebogene Unterbündel unterteilt ist, die jeweils eine Eintrittsfläche aufweisen, die auf einen der entsprechenden konvergenten Strahlen gerichtet ist. Die Eintrittsflächen besitzen ferner vorzugsweise die gleiche Anordnung wie das von der Lampe emittierte Leuchtfeld.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt das Reflexionselement einen dichroitisehen Spiegel, der für zur Erwärmung führendes Licht höherer Wellenlänge durchlässig ist, wobei außerhalb der Reflexionselemente Kühlkörper vorgesehen sind, die das längerwellige Licht absorbieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

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Fig. 1: eine schematisierte Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen Hochleistungs-Lichtquelle

und

Fig. 2: eine Querschnittsansicht, die im wesentlichen der Linie 2-2 von Fig. 1 entspricht.

Gleiche Teile sind dabei jeweils mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet.

Als Primärlichtquelle dient eine Hochdruck-Quecksilberdampflampe J_4. Die Lampe besitzt Elektroden 16, zwischen denen eine Lichtbogenentladung J_8 auftritt. Die Lampe ist auf die Achse J12 des Gesamt-Lichtquellensystems ausgerichtet, die senkrecht und zentral ver*- läuft, wie aus Fig. 1 hervorgeht. Die Lichtbogenentladung stellt eine Lichtquelle dar, die sich zwischen den Elektroden JJ5 erstreckt und zur Achse V2. symmetrisch ist, jedoch im allgemeinen ovale Form besitzt. Das Verhältnis von Breite zur Höhe kann beispielsweise etwa 3:4 betragen. Ferner ist festzustellen, daß ein wesentlicher Teil des von der Lampe J_4 erzeugten Lichts radial abgestrahlt wird.

Um die Quecksilberlampe 1_£ sind in einer zur Achse J_2 senkrechten Ebene vier Linsensysteme 2Q zum Sammeln des Lichts angeordnet, die auf den Mittelpunkt der Quecksilberlampe zentriert sind. Jedes der Linsensysteme zum Sammeln des Lichts bündelt das von der Lampe J_£ aufgenommene Licht und formt es in einen radial von der Achse _1j2 gerichteten Strahl um. Die Linsensysteme 2Ό sind in ihrer Fokuslage so angeordnet, daß das innerste Linsenelement 22 jedes Linsensystems einen möglichst

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großen Teil des Raumwinkels um die Lampenentladung J_8 herum umfaßt. Bei Verwendung mehrerer Linsensysteme zum Sammeln des Lichts kann ein relativ hoher Prozentsatz des gesamten, von der Lampe verfügbaren Lichts aufgenommen und wirksam ausgenutzt werden. Unter mehreren Linsensystemen werden hierbei drei oder mehr Linsensysteme verstanden, wobei die dargestellte bevorzugte Ausfuhrungsform vier derartige Linsensysteme besitzt, was als vorteilhafter Kompromiß zwischen den erzielten Hochleistungseigenschaften und der resultierenden Kompliziertheit angesehen wird.

Außerhalb jedes der oben beschriebenen Linsensysteme 20 befindet sich in Radialrichtung von der Achse 12

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ein Reflektorsystem / Jedes derartige Reflektorsystem umfaßt einen dichroitischen Spiegel ^_6 und einen Träger 28. Die Eigenschaften des Spiegels 2j> sind so ausgewählt, daß Licht kürzerer Wellenlängen, wie es beim Belichtungsprozeß herangezogen wird, reflektiert wird, während längerwelliges Licht, das zur Entstehung unerwünschter Erwärmung führt, durchgelassen wird. Das von jedem Spiegel durchgelassene längerwellige Licht trifft auf einen Kühlkörper 30 auf, wo es absorbiert wird. Die in der bevorzugten Aus führ ungs form dargestellten Kühlkörper _30 besitzen Rippen 3>j2 zur Ableitung bzw. Abstrahlung der absorbierten Wärme. Die dichroitischen Spiegel 2_§ sind so angeordnet, daß sie das reflektierte Licht schräg zu einem gemeinsamen Punkt auf der Achse J_2 unterhalb der Lampe 14 lenken. In den vier Strahlengängen der reflektierten Strahlen sind ferner vier Sammellinsensysteme 3^4 angeordnet, die Transmissionsfilter 3j5 aufweisen, die ihrerseits einen Teil des kürzerwelligen Lichts, das für den

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Belichtungsprozeß unerwünscht ist, herausfiltern.

Jedes Sammellinsensystem _3£ fokussiert das einfallende Licht auf eine entsprechende Eintrittsfläche 4_8 einer Faseroptikeinrichtung ^O zur Vereinigung der konvergenten Strahlen. Die Faseroptikeinrichtung 40 weist ein Faseroptikbündel mit einem Hauptbündel A2_ auf, das längs der Systemachse X2_ ausgerichtet ist und an seinem unteren Ende in einer Austrittsfläche AA^ endet.

Ausgehend von der Austrittsfläche j4_4 unterteilt sich das Hauptbündel j4j2 in vier gleiche Unterbündel 46. Jedes Unterbündel 46_ ist schräg aus der Achsenrichtung herausgebogen und endet in einer entsprechenden Eintrittsfläche 4_8, die hierdurch auf das entsprechende Sammellinsensystem _3jl ein justiert ist.

Jede Eintrittsfläche 4_8 besitzt vorzugsweise ovale Form, die der ovalen Form des Lichtbogens abmessungsmäßig entspricht. Da die Linsensysteme 2Ό zum Auffangen der Strahlung sowie die Sammellinsensysteme ^_4 im wesentlichen so arbeiten, daß sie ein Bild des Lichtbogens _1_8 an jeder Eintrittst lache erzeugen, ist ersichtlich, daß durch diese Anordnung die Leistung sowie die Gleichmäßigkeit der Faserausleuchtung erhöht wird.

Zusammenfassend ist festzustellen, daß das erfindungsgemäße System die Aufnahme eines relativ hohen Prozentsatzes des von einer Lampe abgegebenen Lichts längs verschiedener, getrennter optischer Wege erlaubt, wobei das Licht schließlich in wirksamer Weise unter Erzielung einer konzentrierten Lichtquelle wieder

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vereinigt wird, die einer Punktlichtquelle nahekommt, jedoch Licht längs einer vorgegebenen Systemachse emittiert.

Hinter der Austrittsfläche £4 weist das mikrophotographische Gesamtsystem ferner typischer«« Ise weitere projektionsoptische Bestandteile auf, beispielsweise eine Kondensorlinse VO, durch die die Punktlichtquelle ein Rasternetz, eine Maske oder eine andere Bildquelle beleuchtet.

Die Erfindung ist nicht auf das erläuterte Ausführungsbeispiel beschränkt, da das erfindungsgemäße Konzept vom Fachmann vielfältig abgewandelt werden kann.

Die Erfindung betrifft zusammengefaßt eine Hochleistungs-Lichtquelle, die einen relativ hohen Prozentsatz des von einer Lampe emittierten Lichts durch um die Lampe herum angeordnete Sammellinsensysteme aufzufangen erlaubt. Die von jedem Linsensystem gesammelten erwünschten Lichtwellenlängen werden durch einen diehroitisehen Spiegel auf die Systemachse hin und in entsprechende fokussierende Linsensysteme gerichtet, während die längeren Wellenlängen von den Spiegeln zu Kühlkörpern hin durchgelassen werden. Das Licht von jedem fokussierehden Linsensystem gelangt auf die Eintrittsfläche eines entsprechenden Unterbündels einer Faseroptikeinrichtung zur Vereinigung der Lichtbündel. Die Eintrittsfläche jedes Unterbündels ist zur Aufnahme des einfallenden Lichts gegenüber der Achse geneigt. Die Unterbündel sind gebogen und münden jeweils unter Ausrichtung auf die Systemachse zusammen und übertragen so das vereinigte Licht auf eine einzige Austrittsfläche.

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Claims

Ansprüche

Hochleistungs-Lichtquelle, die einer Punktlichtquelle angenähert ist und Licht längs einer gegebenen Achse emittiert,

gekennzeichnet durch

- eine im wesentlichen auf der Achse (12) vorgesehene, Licht in Radialrichtung abstrahlende Lampe (14),

- mehrere radial um die Lampe (14) herum nahe bei ihr angeordnete Sammellinsen (20) zum Sammeln der von der Lampe abgegebenen Lichtstrahlung, wobei jede Sammellinse (20) das von ihr gesammelte Licht in Bezug auf die Lampe in eine entsprechende radiale Richtung lenkt,

- außerhalb jeder Sammellinse (20) jeweils angeordnete Reflexionselemente (24), die die gesammelte Lichtstrahlung in einen schräg zur Achse (12) gerichteten Strahl lenken,wobei die entsprechenden reflektierten Strahlen auf der Achse konvergieren,

und

- eine allgemein auf der Achse (12) vorgesehene Einrichtung (40) zur Vereinigung der konvergenten Strahlen zur Annäherung einer axial emittierenden Lichtquelle.

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2. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (40) zur Vereinigung der Strahlen ein Faseroptikbündel (42) mit einer einzigen, auf der Achse (12) liegenden Austrittsfläche (44) ist, das in Teilbündel (46) unterteilt ist, die jeweils aus der Achse herausgebogen sind und in einer Eintrittsfläche (48) zur Aufnahme eines entsprechenden konvergierenden Strahls enden.
3. Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Eintrittsfläche (48) der Teilbündel (46) so geformt ist, daß sie im wesentlichen der Form des Licht emittierenden Teils der Lampe (14) entspricht.
4. Lichtquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittsflächen (4 8) jeweils oval sind.
5. Lichtquelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lampe (14) eine Quecksilberdampflampe ist.
6. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner für jedes Reflexionselement (24) ein Sammellinsensystem (34) aufweist, wobei sich jedes dieser Kondensorlinsensysteme zwischen einem entsprechenden Reflexionselement (24) und der zugehörigen Eintrittsfläche (48) der Einrichtung (40) zur Vereinigung der Lichtstrahlen befindet und zur Fokussierung des vom Reflexionselement (24) in die Einrichtung (40) gelenkten Lichts dient.
7. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Reflexionselement (24) eine

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Einrichtung mit einem dichroitisehen Spiegel (26) aufweist, die längerwelliges Licht durchläßt und kürzerwelliges Licht reflektiert.
8. Lichtquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß außerhalb jedes Reflexionselements (?4) ein Kühlkörper (30, 32) zur Absorption des von der Einrichtung mit dem dichroitischen Spiegel (26) durchgelassenen längerwelligen Lichts vorgesehen ist.
9. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß sie vier Kollektorlinsen (20) aufweist, die die aufgenommene Lichtstrahlung im wesentlichen zu einem radial gerichteten Strahl kollimieren,

daß die Einrichtung (40) zur Vereinigung der Strahlen eine Faseroptikeinrichtung ist, die ein auf die Achse justiertes Hauptbündel (42) aufweist, das in einer einzigen Austrittsfläche (44) endet und in vier Teilbündel (46) unterteilt ist, die aus der Achsenrichtung herausgebogen sind und in entsprechenden Eintrittsflächen (48) enden, die allgemein gegen eines der Reflexionselemente (24) gerichtet sind,

sowie dadurch, daß zwischen jedem Reflexionselement (24) und der entsprechenden Eintrittsfläche (4 8) eine Sammellinse (34) zur Erzeugung eines Bilds der Lampe auf der Eintrittsfläche (48) vorgesehen ist.
10. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch

eine Hochdruck-Quecksilberdampflampe, die eine ovale Leuchtfläche aufweist,

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einen dichroitischen Spiegel (26) als Reflexionselement, der die kürzerwelligen Anteile der entsprechenden Strahlen schräg zur Lampenachse richtet und die längerwelligen, zur Erwärmung führenden Anteile durchläßt, sowie

Kühlkörper (30, 32) zur Absorption der von den Reflexionselementen (24) durchgelassenen Strahlung.

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