DE4103236A1 - Beleuchtungseinrichtung - Google Patents

Description

Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung ist in optischen Kopiergeräten und Geräten der Kinomatografie einsetzbar, wo Originale, die mittels Projektionsobjektiv abgebildet werden, mit einer hohen Lichtintensität gleichmäßig ausgeleuchtet werden sollen. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung in der optischen Projektionslithografie einsetzbar, wie sie zur Herstellung von Strukturen auf Halbleiterscheiben bzw. Schablonen bei der Schaltkreisproduktion verwendet wird.

In Beleuchtungseinrichtungen werden häufig Ellipsoidreflektoren genutzt, um einen großen Bereich des von der Lichtquelle ausgeleuchteten Raumwinkels zu erfassen und damit einen großen Wirkungsgrad des Systems zu erreichen. Dabei befindet sich die Lichtquelle zumindest annähernd symmetrisch zu einem Brennpunkt des Rotationsellipsoids. Die sich in der Nähe des anderen Brennpunktes ergebende Lichtverteilung kann als Sekundärlichtquelle für ein nachgeordnetes optisches System betrachtet werden. Auch hier sind neben der Leuchtdichte die Winkelcharakteristik und die Ortscharakteristik wichtige Parameter, die sich unmittelbar oder mittelbar auf die Eigenschaften der Gesamtbeleuchtung auswirken.

Da die Ellipsoidreflektoren in photolithografischen Geräten hauptsächlich in Verbindung mit Kurzbogenlampen verwendet werden, ist die nachfolgende Aufstellung von Charakteristika für das in der sekundären Brennebene Leuchtfeld auf diesen Fall beschränkt.

• - Die Intensitätsverteilung über den Aperturwinkel (Winkelcharakteristik) ist im sekundären Brennfleck von der Entfernung des betrachteten Flächenelementes von der Ellipsoidachse abhängig. Damit werden bei einer nachfolgenden Objektabbildung in verschiedenen Feldpunkten unterschiedliche Kohärenzbedingungen wirksam.
• - Im Integral über die Fläche des sekundären Brennflecks erzeugt der Ellipsoidreflektor über den Aperturwinkel eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung. Dies ist für die Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung im Feld von Nachteil.
• - Im sekundären Brennfleck erhalten kleine Aperturwinkel keine Strahlenanteile, während große Aperturwinkel nur in der Nähe der Ellipsoidachse Strahlenanteile erhalten.
• - Die vom Ellipsoid erzeugte große Kondensorkonstante (Produkt aus dem Durchmesser des sekundären Brennflecks und dem Sinus des maximalen Aperturwinkels) ist nur vorgetäuscht, da bestimmte Bereiche im r-α-Koordinatensystem keine bzw. nur geringe Strahlenanteile erhalten (r= Entfernung des betrachteten Punktes von der optischen Achse (Ellipsoidachse) im sekundären Brennfleck), α=Aperturwinkel im betrachteten Punkt).
• - Bei eingeschränkter Kondensorkonstante treten Strahlungsverluste auf, da nicht der volle Abstrahlwinkel im sekundären Brennfleck oder/und nicht der volle Durchmesser des sekundären Brennflecks ausgenutzt werden kann.
• - Von einem begrenzten Teilstück des Reflektors wird auch nur ein begrenzter Winkelbereich im sekundären Brennfleck ausgeleuchtet. Da ein bestimmter Winkel im sekundären Brennfleck optisch gebunden ist an einen definierten Ort in der Feldebene, wirken sich lokale Fehler auf der Ellipsoidfläche direkt auf die Ausleuchtungsgleichmäßigkeit aus.

Häufig werden Wabenkondensoren zur Lichtmischung verwendet, die insbesondere die drei erstgenannten Nachteile mindern. Sie können diese jedoch nicht völlig beseitigen. Hinzu kommt, daß in der Abbildungsebene der durch den Wabenkondensor geschaffenen Sekundärlichtquelle das Zentrum keine Strahlungsanteile hat (Aperturloch).

Der Einsatz von Streuscheiben führt zu hohem Intensitätsverlust.

Durch die Anordnung einer Linse im sekundären Brennfleck kann man zwar eine Umverteilung der Lichtintensität in den verschiedenen Winkelbereichen erlangen, der maximale Aperturwinkel wird jedoch auf Grund der symmetrischen Abbildung grundsätzlich vergrößert.

Ziel der Erfindung ist es, ein Objektfeld mit geringem technischen Aufwand möglichst gleichmäßig und mit hoher Intensität auszuleuchten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die abgegebene Energie einer Lichtquelle so in einem Leuchtfeld zu bündeln, daß das Produkt aus Leuchtfeldgröße und dem Sinus des maximalen Aperturwinkels möglichst klein ist und darüber hinaus eine hohe Gleichmäßigkeit der Intensitätsverteilung über die Fläche und/oder über die Aperturwinkel in dem Leuchtfeld zu realisieren.

Die erfindungsgemäße Aufgabe ist mit einer Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Um die Energie der Lichtquelle maximal auszunutzen ist es von Vorteil, wenn der Durchmesser des Blendenringes gleich dem Durchmesser der Blende ist.

Entsprechend dem Hauptanspruch kommen zwei Teilstücke der Ellipse als Erzeugende für den Rotationskörper in Betracht.

Wenn der Rotationskörper mit dem Teilstück erzeugt wird, welches keinen Hauptscheitel beinhaltet, wird ein Teil des Abbildes der Lichtquelle durch die Blende abgeschattet, der an den Brennpunkt reflektorseitig angrenzt. Um eine möglichst hohe Leuchtfeldintensität zu erlangen, ist es deshalb von Vorteil die Lichtquelle zur sekundären Brennebene hin so verschoben anzuordnen, daß die Lichtquelle vom Brennpuntk lediglich begrenzt wird.

Ist die Erzeugende des Rotationskörpers das Teilstück, welches einen Hauptscheitel beinhaltet, wird entsprechend ein Teil des Abbildes der Lichtquelle durch die Blende abgeschattet, der an den primären Brennpunkt seitens der sekundären Brennebene angrenzt.

Es ist deshalb vorteilhaft, die Lichtquelle hauptscheitelseitig zum primären Brennpunkt anzuordnen.

Die von den einzelnen Flächenelementen des Reflektors erzeugten Bilder der Lichtquelle liegen nicht mehr symmetrisch zur optischen Achse, wie das bei herkömmlichen Ellipsoidreflektoren der Fall ist. Achsnahe Flächenelemente bewirken somit eine große Abbildung mit kleinen Aperturwinkeln um die optische Achse, während durch achsferne Flächenelemente kleine Abbildungen mit großen Aperturwinkeln im Randbereich der Blende entstehen.

Durch die Einfügung eines brechenden Elementes an den Ort des sekundären Brennrings kann eine Änderung der Aperturwinkelverteilung so erfolgen, daß auch kleine Aperturwinkel beleuchtet werden, und daß das von einem Flächenelement des Reflektors kommende Licht über einen großen Aperturwinkel verteilt wird, so daß sich Flächenfehler am Reflektor nicht direkt auf die Gleichmäßigkeit der Ausleuchtung auswirken. Des weiteren entsteht dadurch die Möglichkeit, durch Erweiterung des Reflektors einen größeren von der Lichtquelle ausgeleuchteten Raumwinkel auszunutzen, da die Aperturwinkel der vom Rand kommenden Strahlen verkleinert werden. Bei der Verwendung einer Quecksilberhochdrucklampe mit einem ausgeprägten Katodenfleck kann durch eine Anordnung entsprechend den Unteransprüchen 6 und 7 die Gleichmäßigkeit der Intensitätsverteilung über den Aperturwinkel bzw. den Leuchtfeldradius r erhöht werden.

Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dazu zeigt

Fig. 1 das Konstruktionsschema für die Reflektoren einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung, die des weiteren nach ihrer theoretischen Entstehung als äußerer Reflektor 1a und als innerer Reflektor 1i bezeichnet werden,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit einem äußeren Reflektor 1a und einer Streulinse 4,

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit einem inneren Reflektor 1i und einer Sammellinse 5,

Fig. 4 die Intensitätsverteilung über den Aperturwinkel α im Leuchtfeld und dessen Radius r für eine Beleuchtungseinrichtung mit einem herkömmlichen Ellipsoidreflektor,

Fig. 5 die Intensitätsverteilung für eine Beleuchtungseinrichtung mit einem äußeren Reflektor 1a, ohne brechendem Element,

Fig. 6 die Intensitätsverteilung für eine Beleuchtungseinrichtung mit einem inneren Reflektor 1i, ohne brechendem Element,

Fig. 7 die Intensitätsverteilung für eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit einem äußeren Reflektor 1a einer Streulinse 4 und

Fig. 8 die Intensitätsverteilung für eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit einem inneren Reflektor 1i und einer Sammellinse 5.

Der das Wesen der Erfindung bestimmende Reflektor entsteht theoretisch durch die Rotation einer Ellipse, deren große Halbachse gegenüber der Rotationsachse geneigt ist. In Fig. 1 sind die beiden in einer Ebene möglichen Lagen dieser rotierenden Ellipse dargestellt. Die Hauptachse der Ellipse ist in ihrem primären Brennpunkt F um den Winkel ß gegenüber der Rotationsachse, die gleich der optischen Achse O eines nachgeordneten optischen Systems ist, geneigt. Der Winkel ß wurde dabei vorteilhafterweise so gewählt, daß der sekundäre Brennpunkt bei der Rotation der Ellipse einen Brennring beschreibt, dessen Durchmesser ungefähr gleich dem Durchmesser einer in der Ebene des Brennrings angeordneten Blende 2 entspricht.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, werden bei der Rotation der Ellipse ein äußerer Rotationskörper 1a und ein innerer Rotationskörper 1i beschrieben.

Bei der Abbildung einer symmetrisch zum primären Brennpunkt F angeordneten Lichtquelle 3 über den äußeren Rotationskörper 1a, wird die Abbildung des den Brennpunkt F reflektorseitig ausgedehnten Teils der Lichtquelle 3 durch die Blende 2 abgeschattet. Entsprechend des in Fig. 1 dargestellten Brennpunktstrahles, welcher durch den sekundären Brennpunkt F′a verläuft, schneidet keiner der reflektierten Brennpunktstrahlen die optische Achse O vor der sekundären Brennebene.

Umgekehrt verhält es sich bei der Abbildung der Lichtquelle 3 über den inneren Reflektor 1a. Hier wird der Teil des Abbildes der Lichtquelle 3 abgeschattet, der sich nicht reflektorseitig vom primären Brennpunkt F befindet. Die reflektierten Brennpunktstrahlen schneiden, wie der dargestellte, durch den sekundären Brennpunkt F′i verlaufende Strahl, die optische Achse O vor ihrer Abbildung im sekundären Brennring.

Wie bei herkömmlichen Ellipsoidreflektoren wird die Lichtquelle 3 in Abhängigkeit von der Lage des reflektierenden Flächenelementes in unterschiedlichem Maßstab abgebildet. Je weiter das reflektierende Flächenelement von der optischen Achse O entfernt ist, desto kleiner ist der Abbildungsmaßstab.

Ein wesentlicher Unterschied eines Reflektors der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung zu diesen herkömmlichen Ellipsoidreflektoren besteht neben dem bereits genannten Brennring in der unsymmetrischen Lage der Abbildungen zur optischen Achse O. Je achsferner die reflektierenden Flächenelemente liegen, desto weiter konzentriert sich die Abbildung in den Randbereich der Blende 2 und desto größer werden hier die Aperturwinkel. In den Fig. 2und 3 ist dieser Sachverhalt gut erkennbar dargestellt.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit einem äußeren Reflektor 1a und einer Streulinse 4. Die eindimensional ausgedehnte Lichtquelle 3 grenzt seitens der Blende 2 an den primären Brennpunkt F, so daß durch die Blende 2 keine Abschattung der Abbildung der Lichtquelle 3 stattfindet. Durch die Anordnung einer Streulinse 4 unmittelbar nach der Blende 2 erfolgt eine gleichmäßigere Verteilung der Aperturwinkel α über die Fläche des Leuchtfeldes und eine Verringerung der großen Aperturwinkel α besonders im Randbereich.

In ähnlicher Weise wirkt die Sammellinse 5 der in Fig. 3 dargestellten Beleuchtungseinrichtung mit einem inneren Reflektor 1i. Hier allerdings ist die eindimensional ausgedehnte Lichtquelle 3 reflektorseitig an den primären Brennpunkt F angrenzend angeordnet.

Zum besseren Verständnis der Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung sind in den Fig. 4 bis 8 Intensitätsverteilungen im Leuchtfeld über dessen Radius r und den Aperturwinkel α für verschiedene Beleuchtungseinrichtungen dargestellt.

Die schraffierten Flächen geben hierbei die Bereiche im α-r- Koordinatensystem an, die durch die jeweilige Beleuchtungseinrichtung Lichtintensität erhalten.

Der Ort O entspricht dem der optischen Achse r_max gibt den Außenradius des Leuchtfleckes an.

α_min und α_max kennzeichnen den minimalen bzw. den maximalen Aperturwinkel α, der im Leuchtfeld auftritt.

In Fig. 4 ist die Wirkung eines herkömmlichen Ellipsoidreflektors dargestellt. Erkennbar ist die annähernd symmetrische Verteilung der Intensität um die optische Achse O für alle Aperturwinkel α, das Fehlen der Intensität für kleine Winkelbereiche über das ganze Leuchtfeld und das Fehlen der Intensität in dessen Randbereich.

Fig. 5 zeigt die Wirkung mit einem äußeren Reflektor 1a und Fig. 6 mit einem inneren Reflektor 1i einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung (ohne brechendes Element). In beiden Fällen ist die Intensitätsverteilung nicht mehr für alle Winkelbereiche symmetrisch zur optischen Achse O. Der Außenradius r_max des Leuchtfelds und der maximale sowie minimale Aperturwinkel α_max und α_min haben sich nur unwesentlich geändert.

Die Fig. 7 und 8 zeigen die Wirkung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung zum einen mit einem äußeren Reflektor 1a und einer Streulinse 4 (Fig. 7) und zum anderen mit einem inneren Reflektor 1i und einer Sammellinse 5 (Fig. 8). Die Wirkung der Linsen wird durch die Pfeile charakterisiert.

Es entsteht eine Verschiebung der Aperturwinkelverteilung über den Radius r. Der maximale Aperturwinkel α_max verkleinert sich bei annähernd gleichbleibender Leuchtfeldgröße. Kleine Aperturwinkel erhalten bis α=0 Lichtintensität.

Bei Verwendung einer Quecksilberhochdrucklampe mit einem ausgeprägten Kathodenfleck muß dieser in den primären Brennpunkt F gelegt werden, um eine gleichmäßige Intensitätsverteilung über den Aperturwinkel α im Leuchtfeld zu erhalten. In diesem Fall wird die hohe Intensität des Katodenflecks durch alle Reflektorbereiche in den Randbereich des Leuchtfeldes projiziert (in den Fig. 5 bis 8 mit xxxx gekennzeichnet). Auch bei Einsatz der Linsen bleibt der Bereich hoher Intensität örtlich konzentriert (große Ungleichmäßigkeit über das Leuchtfeld), aber winkelmäßig über den ganzen Aperturwinkelbereich verteilt.

Wird die Anoden-Seite der Lichtquelle 3 in den primären Brennpunkt F gelegt, verteilt sich die hohe Intensität des Kathodenflecks weitgehend über das Leuchtfeld (in den Fig. 5 bis 8 mit oooo gekennzeichnet). Bei Einsatz der Linsen konzentriert sich die hohe Intensität im wesentlichen auf die großen Aperturwinkel α. Es ergibt sich eine ungleichmäßige Intensitätsverteilung über den Aperturwinkel α bei einer weitgehend gleichmäßigen Verteilung über den Radius r.

Claims (7)

1. Beleuchtungseinrichtung mit einem Rotationskörper als Reflektor, einer Lichtquelle (3) im primären Brennpunkt (F) des Reflektors und einer Blende (2), die in dessen sekundärer Brennebene symmetrisch zur optischen Achse (O) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Erzeugende des Rotationskörpers ein einseitig durch die Rotationsachse, die mit der optischen Achse (O) zusammenfällt, begrenztes Teilstück einer Ellipse ist, deren große Halbachse im primären Brennpunkt (F) die optische Achse (O) so schneidet, daß der Reflektor einen sekundären Brennring aufweist, dessen Durchmesser nicht größer ist, als der Durchmesser der Blende (2),
daß in der sekundären Brennebene oder in deren unmittelbaren Nähe ein rotationssymmetrisches brechendes Element angeordnet ist und
daß die Lichtquelle (3) entlang der optischen Achse (O) ausgedehnt ist.

2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Durchmesser des sekundären Brennrings gleich dem Durchmesser der Blende (2) ist.

3. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Teilstück der Ellipse keinen Hauptscheitel beinhaltet, die Lichtquelle (3) zum sekundären Brennring hin verschoben ist und das brechende Element eine vorwiegend divergierende Wirkung hat.

4. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Teilstück der Ellipse einen Hauptscheitel beinhaltet, die Lichtquelle (3) vom sekundären Brennring weg verschoben ist und das brechende Element eine vorwiegend konvergierende Wirkung hat.

5. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet,
daß die Lichtquelle (3) eine Quecksilberhochdrucklampe mit einem ausgeprägten Katodenfleck ist.

6. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erhöhung der Gleichmäßigkeit der Intensitätsverteilung über den Aperturwinkel die Katode der Quecksilberhochdrucklampe im primären Brennpunkt (F) angeordnet ist.

7. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erhöhung der Gleichmäßigkeit der Intensitätsverteilung über den Leuchtfeldradius (r) die Anode im primären Brennpunkt (F) angeordnet ist.