DE3319562A1

DE3319562A1 - Reflector system for illuminating optics

Info

Publication number: DE3319562A1
Application number: DE19833319562
Authority: DE
Inventors: Hermann DDR 6900 Jena Leipold; Gerd Dipl.-Ing. Dr. DDR 6902 Jena-Lobeda Rieche; Christfried Dipl.-Phys. DDR 6900 Jena-Göschwitz Symanowski
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1982-08-02
Filing date: 1983-05-30
Publication date: 1984-02-02
Also published as: DD207826A3

Abstract

The invention relates to a reflector system having a high utilisation factor of the radiant flux of a radiation source, and serves to illuminate image or object fields for the purpose of their optical transmission. By generating a secondary radiation source with an enlarged illuminated field, the use of the reflector system is particularly suitable in devices for producing structures on semiconductor substrate chips. The reflector system uses the entire solid angle region of the omnidirectional radiation of a radiation source for the purpose of illuminating the object and image fields, and in this case small aperture angles caused by the direct and indirect reflection of the radiation at the secondary focal point (F1') are also imaged at the secondary focal point (F1'). <IMAGE>

Description

Reflektorsystem für BeleuchtungsoptikenReflector system for lighting optics

Die Erfindung betrifft ein Reflektorsystem mit hohem Ausnutzungsgrad des Strahlungsflusses einer Strahlungsquelle und dient der Ausleuchtung von Obåekt- oder Bildfeldern zu deren optischer Übertragung.The invention relates to a reflector system with a high degree of utilization the radiation flux of a radiation source and is used to illuminate obåekt- or image fields for their optical transmission.

Beleuchtungssysteme mit dioptrischen Kondensoren, die einen in Strahlungsric htung weisenden räumlichen Strahlungskegel und einen der Strahlungsrichtung entgegengesetzt gerichteten Strahlungskegel über einen sphärischen Hilfsspiegel nutzen, sind im allgemeinen bekannt, Leuchtfeldgröße und Apertur begrenzen dabei den Lichtfluß, der damit für spezielle Anwendungsfälle zu gering ist. Um einen größeren Lichtfluß zu erreichen und die tonnenförmige Rundumabstrahlung der Strahlungsquelle zu nutzen, wird bekanntermaßen ein Ellipsoidreflektor eingesetzt, der die entlang der optischen Achse des Reflektors angeordnete Strahlungsquelle, die ihre Hauptstrahlrichtung senkrecht zur optischen Achse hat, glockenförmig umgibt.Illumination systems with dioptric condensers, which have a radiation angle Attention-pointing spatial radiation cone and one opposite to the radiation direction directed radiation cone via a spherical auxiliary mirror are im generally known, luminous field size and aperture limit the light flux, which is therefore too low for special applications. To a greater flow of light and to use the barrel-shaped all-round radiation of the radiation source, is known to use an ellipsoidal reflector that runs along the optical Axis of the reflector arranged radiation source, which its main beam direction perpendicular to the optical axis, surrounds bell-shaped.

Die im primären Brennpunkt des Ellipsoids befindliche Strahlungsquelle wird im sekundären Brennpunkt als sekundäre Strahlungsquelle mit einem vergrößerten Leuchtfeld abgebildet. Nachteilig bei dieser technischen Lösung ist das Fehlen der Aperturwinkel, die durch die Öffnung im Ellipsoid scheitel, die Begrenzung er Abstrahlung und die Gestalt der Strahlungsquelle brdingt ist.The source of radiation at the primary focus of the ellipsoid is in the secondary focal point as a secondary radiation source with an enlarged Illuminated field shown. This technical solution is disadvantageous the Absence of the aperture angles that vertex through the opening in the ellipsoid, the limitation he radiation and the shape of the radiation source is necessary.

Weiterhin sind Reflektorsysteme kurzer Baulänge bekannt, bei denen ein eingeschränkter Äbatrahiwinkelbereich der StrahlungsqueLle über einen Ellipsoidreflektor in die sekundäre Strahlungsquelle abgebil @ wird. Der Bereich kleiner Abstrahlvçinkel in Strahlrichtung wird über einen sich anschließenden Reflektorteil ellipsenförmiger Gestalt mit von der optischen Achse stark abweichender Achse des Ellipsoidschnittes, in Richtung der optisches Achse über einen Kegelspiegel, der notwendig im Innenraum des Reflektors angeordnet ist, zur sekundären Strahlungsquelle reflektiert. Dabei ist der Durchmesser des Kegelspiegels so groß, daß er den äquivalenten Abstrahlwinkelbereich entgegengesetzt zur Strahlrichtung abschattet.Furthermore, reflector systems of short overall length are known in which a restricted abatrahi angle range of the radiation source via an ellipsoid reflector is imaged in the secondary radiation source. The area of small radiation angles becomes more elliptical in the beam direction via an adjoining reflector part Shape with the axis of the ellipsoidal section deviating significantly from the optical axis, in the direction of the optical axis via a conical mirror, which is necessary in the interior of the reflector is arranged, reflected to the secondary radiation source. Included the diameter of the conical mirror is so large that it covers the equivalent beam angle range shaded opposite to the direction of the beam.

Um aber diesen Abstrahlwinkelbereich ebenfalls zu erfassen schließt sich an den Ellipsoidreflektorteil im äquivalenten Abstrahlwinkelbereich ein sphärischer Reflektorteil an, wobei der Krümmungsmittelpunkt im primären Brennpunkt des Ellipsoids liegt. Dadurch wird die auf diesen Reflektoranteil fallende Strahlung wieder reflektiert und gelangt nach nochmaligen Passieren der Strahlungsquelle auf d-en vorher beschriebenen ellipsenförmigen Reflektorteil und von diesem über den KeDelspiegel zur sekundären Strahlungsquelle. Nachteilig dabei ist, daß die Nutzung des durch den Kegelspiegel abgeschatteten Abstrahlwinkelbereiches durch den sphärischen Spiegel nur mit sehr geringer Effektivität erfolgt, da ein mit zunehmender La enalterung größer werdender Transmissionsverlust bei der zuse.tzlichen zweimaligen Durchstrahlung des Lampenkolben auftritt, der Kolben als undefinierbares optisches Bauelement wirkt und die Reflexionabedingungen nur für den primären Brennpunkt selbst erfüllt ist.However, in order to also cover this radiation angle range, it closes A spherical one is attached to the ellipsoidal reflector part in the equivalent radiation angle range Reflector part, with the center of curvature in the primary focal point of the ellipsoid lies. As a result, the radiation falling on this reflector component is reflected again and, after passing the radiation source again, arrives at the previously described ones elliptical reflector part and from this over the KeDelspiegel to the secondary Radiation source. The disadvantage here is that the use of the conical mirror shadowed radiation angle range by the spherical mirror only with very less effectiveness takes place, since one increases with increasing age Loss of transmission when the lamp bulb is additionally irradiated twice occurs, the bulb acts as an indefinable optical component and the reflection conditions is only satisfied for the primary focus itself.

Ziel der Erfindung ist es, ein Reflektorsystem für Beleuchtungsoptiken zu schaffen, das den vollständigen Raumwinkelbereich der Rundumabstrahlung der Strahlunrsquelle zur Ausleuchtung von Bild- und Objelctebenen nutzt und eine strahlungsphysikalische optimale Übertragung des Strahlenflusses von der Strahlungsquelle zum sekundären Leuchtfeld gewährleistet.The aim of the invention is to provide a reflector system for lighting optics to create the full solid angle range of the all-round radiation of the radiation source to illuminate image and object planes and a radiation-physical optimal transmission of the radiation flux from the radiation source to the secondary Light field guaranteed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reflektorsystem für Beleuchtungsoptiken zu schaffen, bei dem in einen sekundären Brennpunkt auch kleine Aperturwinkel abgebildet werden.The invention is based on the object of a reflector system for To create lighting optics in which in a secondary focal point also small ones Aperture angles are mapped.

Diese Auf gabe wird bei einem Reflektorsystem für Beleuchtungsoptiken, bestehend aus ineinander übergehenden Reflexionsflächen, die eine Projektionslampe, deren mechanische Längsachse mit der optischen Achse des Systems koaxial verlaufend angeordnet ist, glockenartig umgeben, und das aufgefangene Strahlenbündel direkt in den sekundären Brennpunkt leitet, in Richtung der Ausbreitung des Lichtes, im wesentlichen konzentrisch zur optischen Achse aus einem Kegelspiegel, der hinter dem primären Brennpunkt und einem Ringreflektor, der hinter den sekundären Brennpunkt angeordnet ist, dadurch gelöst, daß die Reflexionsflächen aus zwei miteinander verbundenen Ellipsoidreflektorteilen unterschiedlicher Halbachsen bestehen, deren primäre Brennpunkte auf der optischen Achse im wesentlichen zusammenfallen, und daß das von dem Ellipsoidreflektorteil mit den größeren Nalbachsen auf gefangene Strahlenbündel über den Ringreflektor und den Kegelspiegel indirekt in den sekundären Brennpunkt des Ellipsoidreflektorteils mit den kleineren Halbachsen abgebildet wird.This task is carried out with a reflector system for lighting optics, consisting of reflective surfaces that merge into one another that use a projection lamp, whose mechanical longitudinal axis is coaxial with the optical axis of the system is arranged, surrounded like a bell, and the captured beam directly leads into the secondary focus, in the direction of the propagation of light, im essentially concentric to the optical axis from a conical mirror, which is behind the primary focus and a ring reflector that is behind the secondary focus is arranged, achieved in that the reflective surfaces of two interconnected Ellipsoid reflector parts of different semi-axes exist, their primary focal points substantially coincide on the optical axis, and that of the ellipsoidal reflector part with the larger Nal axes on captured bundles of rays via the ring reflector and the cone mirror indirectly into the secondary focus of the ellipsoidal reflector part is shown with the smaller semi-axes.

Die Erfindung soll anhand nachstehender Figur näher beschrieben werden.The invention is to be described in more detail with reference to the following figure.

Die Figur zeigt das erfindungsgem0ße Reflektorsystem für Beleuchtungsoptiken.The figure shows the reflector system according to the invention for lighting optics.

Der Ellipsoidreflektor 1 ist ein aus einem einzigen Stück bestehender Körper glockenförmige Gestalt der aus zwei Ellipsoidteilen E1 und E2 unterschiedlicher Länge der Halbachsen besteht und eine Lichtquelle 2 symmetrisch umgibt. Der Reflektor 1 besitzt eine kreisrunde Öffnung ~.The ellipsoid reflector 1 is a single piece Body bell-shaped shape of two different ellipsoidal parts E1 and E2 Length of the semi-axes and surrounds a light source 2 symmetrically. The reflector 1 has a circular opening ~.

durch die die Lichtquelle 2 in den Reflektor 1 hineinragt.through which the light source 2 protrudes into the reflector 1.

Die mechanische Längsachse der Lichtquelle ist mit der optischen Achse 0-0' des Reflekotrsystems indentisch, die Lichtquelle 2 befindet sich in den p: ren Brennpunkten F1 und F2 der Ellipsoidteile E1 und E2, die im wesentlichen auf der optischen Achse 0-0' zusammenfallen. In Lichtausbreitungsrichtung L, entlang der optischen Achse 0-0' ist der Lichtquelle 2 ein Kegelspiegel K und ein Ringreflektor R nachgeordnet, die symmetrisch zur optischen Achse 0-0' angeordnet sind. Der Kegelspiegel K ist den primären Brennpunkten 21 und F2, der Ringreflektor dem sekundären Brennpunkt 21' ' nachgeordnet.The mechanical longitudinal axis of the light source coincides with the optical axis 0-0 'of the reflector system is identical, the light source 2 is in the p: ren focal points F1 and F2 of the ellipsoidal parts E1 and E2, which are essentially on the optical axis 0-0 'coincide. In the direction of light propagation L, along of the optical axis 0-0 ', the light source 2 is a conical mirror K and a ring reflector R downstream, which are arranged symmetrically to the optical axis 0-0 '. The cone mirror K is the primary focus 21 and F2, the ring reflector is the secondary focus 21 '' downstream.

Im primären Brennpunkt F1 und F2 des Ellipsoidreflektoxe 1 befindet sich die Lichtquelle 2 derart, daß ihre Hauptabstrahlrichtung senkrecht zur optischen Achse 0-0' orientiert ist. Die Symmetrieachse des Ellipsoidreflektors 1 ist identisch mit der optischen Achse 0-0'. In der Ebene 4 des sekundären Brennpunkt F1, bildet der Ellipsoidreflektorteil E1 das Leuchtfeld der Strahlungsquelle ab. Der Aperturwinkel des Leuchtfeldes der Ebene 4 im sekundären Brennpunkt F1' zeigt, daß der in Lichtrichtung L weisende Abstrahlwinkelbereich der Lichtquelle 2 im allgemeinen durch die sich anschließende, auf der Zeichnung nicht dargestellte Beleuchtungsoptik nicht voll nutzbar ist, da er die Ellipsoidteile hoher Öffnung trifft und im sekundären Brennpunkt 21' zu hohe Aperturen erzeugen wurde. Der Ellipsoidteil E1 ist so bestimmt, daß er einen bestimmten Leuchtfelddurchmesser mit einer bestimmten Apertur erzeugt. Der Abstrahlwinkelbereich in Richtung Ellipsoidreflektorscheitel S wird von E1 voll zur Reflexion in den sekundären Brennpunkt F1 genutzt, während der Teil des Abstrahlwinkelbereiches in Richtung zu höheren Öffnungen des Ellipsoidreflektors 1 vom Ellipsoidreflektorteil E1 nicht mehr erfaßbar wird.Located in the primary focus F1 and F2 of the ellipsoidal reflective box 1 the light source 2 in such a way that its main emission direction is perpendicular to the optical Axis 0-0 'is oriented. The axis of symmetry of the ellipsoidal reflector 1 is identical with the optical axis 0-0 '. In the plane 4 of the secondary focal point F1, forms the ellipsoid reflector part E1 from the light field of the radiation source. The aperture angle of the luminous field of level 4 in the secondary focal point F1 'shows that the in the light direction L pointing radiation angle range of the light source 2 generally through the subsequent lighting optics, not shown in the drawing, are not fully is useful because it meets the high aperture ellipsoidal parts and is at the secondary focus 21 'apertures too high was generated. The ellipsoid part E1 is like this determines that it has a certain luminous field diameter with a certain aperture generated. The radiation angle range in the direction of the ellipsoidal reflector vertex S becomes fully used by E1 for reflection in the secondary focal point F1, while the part of the radiation angle range in the direction of higher openings of the ellipsoidal reflector 1 is no longer detectable by the ellipsoidal reflector part E1.

An den Ellipsoidreflektorteil E1 schließt sich der Ellipsoidreflektorteil E2 derart an, so daß die primären Brennpunkte F1 und F2 der Ellipsoidreflektorteile E1 und E2 im wesentlichen identisch sind, undder sekundäre Brennpunkt F2' des Ellipsoidreflektorteils E2 auf der optischen Achse 0-0' in Lichtrichtung L dem sekundären Brennpunkt F1 des Ellipsoidreflektorteils E1 nachgeordnet ist.The ellipsoidal reflector part connects to the ellipsoidal reflector part E1 E2 so that the primary focal points F1 and F2 of the ellipsoidal reflector parts E1 and E2 are substantially identical and the secondary focus F2 'of the ellipsoidal reflector part E2 on the optical axis 0-0 'in the light direction L to the secondary focal point F1 of the ellipsoidal reflector part E1 is arranged downstream.

Die vom Ellipsoidreflektorteil E2 nach F2, gerichteten Strahlen werden in Richtung der optischen Achse 0-0' mittels Ringspiegel R reflektiert und auf dem Kegelspiegel K proeziert, der sich im Schattenbereich der Strahlungsquelle befindet. Der Kegelspiegel K ppOåeziert diese Strahlungsteile in den sekundären Brennpunkt P1,a Diese vom Kegelspiegel K in den sekundären Brennpunkt Fi reflektierten Strahlen zeigen die Aperturwinkel, die durch die Abstrahlcharakteristik und Gestalt der Strahlungsquelle sowie durch die Öffnung im Scheitel S des Ellipsoidreflektorteiles E1 fehlen. Die Gestaltung des Ellipsoidreflektors 1 mit den Reflektorteilen E1 und E2, des Ringreflektors R und des Kegelspiegels K sind nicht geometrisch voneinander abhängig, sondern werden strahlun;sphysikalisch optimiert, Der Kegeispiegel K besitzt einen flachen Kegelwinkel, seine Flächennormale weist bereits annähernd in die Richtung des sekundären Leuchtfeldes wobei nur kleine Einfalls- und Reflexionswinkel auftreten, dadurch werden auch windschiefe Strahlen aus dem Leuchtfeld der primären Brennpunkte 21 und F2 nahezu vollständig in das sekundäre Leuchtfeld F1' über den Kegeispiegel K abgebildet.The rays directed from the ellipsoidal reflector part E2 to F2 are in the direction of the optical axis 0-0 'by means of the ring mirror R and reflected on the Conical mirror K proeziert, which is located in the shadow area of the radiation source. The conical mirror K ppOåeziert these radiation parts in the secondary focal point P1, a These rays reflected by the conical mirror K into the secondary focal point Fi show the aperture angle caused by the radiation characteristics and shape of the radiation source as well as through the opening in the vertex S of the ellipsoidal reflector part E1 are missing. the Design of the ellipsoid reflector 1 with the reflector parts E1 and E2, the ring reflector R and the conical mirror K are not geometrically dependent on one another, but are radiant; physically optimized, the cone mirror K has a flat cone angle, its surface normal already points approximately in the direction of the secondary luminous field whereby only small angles of incidence and reflection occur, which also leads to skewed angles Rays from the light field of the primary focal points 21 and F2 almost completely imaged in the secondary luminous field F1 'above the cone mirror K.

Claims

Claim: reflector system for lighting optics, consisting from merging reflection surfaces, which a projection lamp, whose mechanical longitudinal axis arranged to run coaxially with the optical axis of the system is, surrounded bell-like, and the £ captured ray bundle directly into the secondary Focus guides, in the direction of the propagation of the radiation, essentially concentrically to the optical axis, from a conical mirror that is behind the primary focal point is arranged and a ring reflector, characterized in that the reflective surfaces made of two interconnected ellipsoidal reflector parts of different halves exist, the primary focal points of which essentially coincide on the optical axis, and that that captured by the ellipsoidal reflector part with the major semi-axis Beam bundles indirectly into the secondary via the ring reflector and the cone mirror Focal point of the ellipsoidal reflector part is imaged with the smaller semiaxes.