TW202036171A - 曝光用光源裝置 - Google Patents
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Abstract
本發明的課題,係提供使用複數半導體雷射光源,供給均勻之位置分布及角度分布的光線的曝光用光源裝置。
解決手段是一種曝光用光源裝置,係具備:複數半導體雷射單元,係分別包含複數半導體雷射光源、將從前述半導體雷射光源射出之光線束,轉換成大略平行之光線束射出的複數準直光學系、從前述複數準直光學系射出之複數光線束被射入,將該等分別轉換成發散之光線束射出的擴散光學系、及對從前述擴散光學系射出之光線束聚光的聚光光學系所成;以及積光器光學系,係於從前述複數半導體雷射單元射出之複數光線束聚光的位置,配置射入面;前述擴散光學系,係配置於從不同之前述半導體雷射光源射出之光線束的至少一部分在前述聚光光學系的射入面上重疊的位置。
Description
本發明係關於曝光用光源裝置,尤其,關於使用從半導體雷射光源射出之光線的曝光用光源裝置。
先前,印刷電路基板等的製造工程等所用之曝光裝置,使用光強度高的放電燈。近年來,伴隨固態光源技術的進步,檢討從放電燈置換成高效率且長壽命的半導體雷射光源。因此,市場期待可藉由半導體雷射光源,取得具有與放電燈同等之強度及分布的光線的曝光用光源裝置。
單體的半導體雷射光源中,作為曝光裝置的光線來說放射光束太少。對於為了取得高強度的光線來說,考量配置複數半導體雷射光源,對從個別半導體雷射光源射出之光線聚光的方法。例如,於專利文獻1揭示具備複數半導體雷射光源,與對應個別之半導體雷射光源的光纖,可撓性印刷基板用的曝光裝置。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2001-272791號公報
[發明所欲解決之課題]
對於對從複數半導體雷射光源射出之光線聚光來說,可考量使用準直透鏡及聚光透鏡進行聚光的方法。但是,本案發明者們係在檢討對從複數半導體雷射光源射出之光線,藉由該等聚光所用的光學系聚光的曝光用光源裝置的時候,發現存在有以下所述的課題。以下,一邊參照圖面一邊進行說明。
圖7A係模式揭示以半導體雷射光源100與準直透鏡101(也稱為「視準鏡」)與聚光透鏡102及圓柱型積光器104所構成的曝光用光源裝置的圖面。圖7A係模式圖示從複數半導體雷射光源100射出之光線(雷射光)的各主光線及各光線束的行進路徑。再者,在本說明書中,將從半導體雷射光源100的中心,與光軸140平行射出之光線稱為「主光線」,將從半導體雷射光源100射出之形成為束狀的光線群稱為「光線束」。
於圖7A中,將正交於圓柱型積光器104的射入面105之軸設為光軸140。又,將光軸140方向設為Z方向,將對於射入面105之光的射入角設為θ。再者,從半導體雷射光源100射出之光線束,係於圖7A的XY平面中以橢圓形狀射出,在XZ俯視圖與YZ俯視圖中,僅光線束的寬度不同,故以下僅針對XZ俯視進行說明。
從半導體雷射光源100射出的光線束(121a,121b,121c)係藉由準直透鏡101轉換成大略平行的光線束(122a,122b,122c)。光線束(122a,122b,122c)係相互平行,不會與從其他半導體雷射光源100射出之光線束重疊,射入至後段的聚光透鏡102。射入至聚光透鏡102的光線束(122a,122b,122c)係被轉換成朝向聚光透鏡102的焦點位置150聚光的光線束(123a,123b,123c)。
於聚光透鏡102的後段,為了讓藉由聚光透鏡102聚光之光線束(123a,123b,123c)的光強度分布均勻化,配置圓柱型積光器104。圓柱型積光器104係以射入面105與聚光透鏡102的焦點位置150對合之方式配置。
在此,無法完全配置半導體雷射光源100及準直透鏡101,故各光線束(122a,122b,122c)之間會產生間隙,於聚光光學系102的射入面103中,產生有光線存在之處與不存在之處。或者,即使光線存在,相較於主光線附近,在鄰接之半導體雷射光源100射出之光線束附近的位置中,光強度極度變低,會發生照度不均。
所以,將發生聚光透鏡102的射出面所發生之照度不均的光線,以藉由聚光透鏡102聚光於焦點位置150之方式轉換的光線束(123a,123b,123c),係產生一部分的角度範圍中不存在光線,或相較於主光線附近,光強度極低的區域130。
圖7B係分別模式揭示焦點位置150之以光軸140為中心的X方向之光強度分布(以下,稱為「位置分布」),相對於圓柱型積光器104的射入面105之各射入角θ的光強度分布(以下,稱為「角度分布」)的圖表。
位置分布係各光線束(123a,123b,123c)以各主光線(111a,111b,111c)為中心在焦點位置150重疊,故如圖7B所示的位置分布般,在光軸140上,亦即X座標為0的位置成為尖峰的強度分布。
又,即使以盡可能讓前述區域130的寬度小之方式,密接配置半導體雷射光源100及準直透鏡101,從各半導體雷射光源100的中心射出之光線(主光線)的具有射入角度附近之角度成分的光強度,與具有從前述主光線的射入角度偏離之角度成分所射入的光強度也會產生大幅差距。結果,關於角度分布,如圖7B所示,因應射入角度,光強度具有大幅的差異。更詳細來說,在各光線束(123a,123b,123c)彼此之間,產生不存在光線的區域130時,角度分布係如圖7B所示,於光線存在的角度範圍內的一部分,成為光線不存在之離散的強度分布。
圓柱型積光器104雖然有使位置分布均勻化的效果,但為一邊重複在側面使射入之光線全部反射,一邊導引至射出面106的構造,故光線的角度分布為被保持的狀態。所以,即使使用圓柱型積光器104,關於光線的強度分布也不會均勻化。
曝光裝置係可以期待可均勻曝光,對於曝光對象物也不會差生照度不均者。因此,曝光裝置所用的光源裝置,係可輸出位置分布及角度分布中均勻的光線者為佳。
但如上所述,僅將從複數半導體雷射光源100射出之光線,利用準直透鏡101與聚光透鏡102聚光,藉由圓柱型積光器104來讓位置分布均勻化,可知並無法取得角度分布是均勻分布的光線,對於曝光對象物會發生照度不均的狀況。
本發明係有鑑於前述課題,目的為提供使用複數半導體雷射光源,供給均勻之位置分布及角度分布的光線的曝光用光源裝置。
[用以解決課題之手段]
本發明的曝光用光源裝置,其特徵為具備:
複數半導體雷射單元,係分別包含複數半導體雷射光源、將從前述半導體雷射光源射出之光線束,轉換成大略平行之光線束射出的複數準直光學系、從前述複數準直光學系射出之複數光線束被射入,將該等分別轉換成發散之光線束射出的擴散光學系、及對從前述擴散光學系射出之光線束聚光的聚光光學系所成;及
積光器光學系,係於從前述複數半導體雷射單元射出之複數光線束聚光的位置,配置射入面;
前述擴散光學系,係配置於從不同之前述半導體雷射光源射出之光線束的至少一部分在前述聚光光學系的射入面上重疊的位置。
前述曝光用光源裝置,係具備從複數準直光學系射出之複數光線束被射入,將該等分別轉換成發散之光線束射出的擴散光學系。通過擴散光學系的光線,係朝向行進方向發散。
擴散光學系係配置於從不同之前述半導體雷射光源射出之光線束的至少一部分在前述聚光光學系的射入面上重疊的位置。也就是說,於聚光光學系的射入面中,從半導體雷射光源射出之光線束,與從不同之半導體雷射光源射出之光線束,於前述聚光光學系的射入面中一部分重疊。
於聚光光學系的射入面中,利用光線束重疊,在各光線束之間光線不存在的區域會消失。亦即,於對於光軸的角度方向中,於光線存在的區域內的一部分,光線不存在的範圍消失,角度分布均勻化。於以下的圖2的說明中詳細說明。
前述曝光用光源裝置,係構成以複數半導體雷射光源、複數準直光學系、擴散光學系、聚光光學系所構成的半導體雷射單元,具備複數半導體雷射單元。半導體雷射單元係配置於從擴散光學系、聚光光學系不同之前述半導體雷射光源射出之光線束的至少一部分在前述聚光光學系的射入面上重疊的位置者。
前述曝光用光源裝置係具備複數半導體雷射單元。利用配置複數半導體雷射單元,可更加提升聚光位置之光強度。
前述曝光用光源裝置係具備於從複數半導體雷射單元射出之複數光線束聚光的位置,配置射入面的積光器光學系。積光器光學系係使射入之光線的位置分布均勻化,從光射出面射出。再者,射入至積光器光學系的光線,係於積光器光學系的壁面中,一邊重複全反射一邊進行。所以,不會藉由積光器光學系,使光線的角度成分均勻化,於射入面中光線不存在的角度範圍,即使射出面中光線也不存在。
從半導體雷射光源射出的光線,係藉由擴散光學系的配置位置的調整,讓角度分布均勻化,從半導體雷射單元射出。從半導體雷射光源射出之角度分布均勻化的光線,射入至積光器光學系,讓位置分布均勻化後從積光器光學系射出。
於前述曝光用光源裝置中,
前述半導體雷射單元個別具備的前述聚光光學系,係從前述半導體雷射單元的光軸方向觀察時的俯視中為多角形亦可。
利用以多角形構成聚光光學系,在鄰接的半導體雷射單元之間可抑制光線束不存在的區域,射入至積光器光學系之光線的角度分布更均勻化。
於前述曝光用光源裝置中,
前述複數半導體雷射單元之個別的前述聚光光學系的射入面,配置成非平行亦可。
於前述曝光用光源裝置中,
前述複數半導體雷射單元之個別的前述聚光光學系,係具備對從前述擴散光學系射出之光線束聚光的第一光學系,與將主光線的行進方向,轉換至前述積光器光學系之射入面的方向的第二光學系;個別之前述第一光學系的射入面,配置成平行亦可。
聚光光學系係具備對從擴散光學系射出之光線束聚光的第一光學系,與將主光線的行進方向,轉換至積光器光學系之射入面的方向的第二光學系。藉由第二光學系決定光線束的行進方向,故比第一光學系更前段的部分,係可與其他半導體雷射單元的半導體雷射光源、準直光學系、擴散光學系、第一光學系個別平行配置。
半導體雷射光源及各光學系平行配置的話,利用將所有半導體雷射光源配置於相同平面上,可藉由單一冷卻板構成半導體雷射光源的冷卻機構。
[發明的效果]
依據本發明,可提供使用複數半導體雷射光源,對曝光用光源裝置供給均勻之位置分布及角度分布的光線的曝光用光源裝置。
以下,針對本發明的曝光用光源裝置,參照圖面來進行說明。再者,各圖之尺寸比及個數與實際的尺寸比及個數不一定一致。
[第一實施形態]
圖1係模式揭示曝光用光源裝置之第一實施形態的構造例的圖面。曝光用光源裝置1係具備複數半導體雷射單元10與積光器光學系15。
於圖1中,將與積光器光學系15的射入面16正交之軸設為光軸17,將光軸17方向設為Z方向。又,將對於射入面16之光的射入角設為θ。再者,與圖7A的說明相同,以下僅針對XZ俯視圖進行說明。
圖2A係模式揭示圖1之半導體雷射單元10的圖面。半導體雷射單元10係具備複數半導體雷射光源11、複數準直光學系12、擴散光學系13、聚光光學系14。
於圖2A中,將對於聚光透鏡14的射入面20正交之軸設為光軸25,將光軸25方向設為Z方向。又,將光軸25與各光線所成的角度設為θ。
於本實施形態的曝光用光源裝置1中,複數半導體雷射單元10以個別的聚光光學系14的射入面20相互成為成非平行之方式配置。更具體來說,各聚光光學系14的射入面20配置於以積光器光學系15的射入面16為中心的球面上,以從各半導體雷射單元10射出之光線朝向積光器光學系15的射入面16之方式配置。
半導體雷射光源11係將半導體雷射晶片殼體化的雷射光源。半導體雷射光源11係以主光線通過光線的射出窗的中心之方式,射出光線的雷射光源。
如圖2A所示,準直光學系12係將從半導體雷射光源11射出的光線束(21a,21b,21c)轉換成大略平行的光線束(22a,22b,22c)後射出的準直透鏡。對應各半導體雷射光源11,配置複數準直光學系12。
擴散光學系13係從準直光學系12射出之複數光線束(22a,22b,22c)被射入,將該等分別轉換成朝向行進方向發散之光線束(23a,23b,23c)射出的擴散板。例如擴散光學系13係以對表面施加凹凸加工,聚碳酸酯、丙烯酸等的不透明的樹脂等所構成。在本實施形態中,擴散光學系13係以利用一張擴散板將所有光線束(22a,22b,22c)轉換成發散的光線束(23a,23b,23c)之方式構成。但是,擴散光學系13並不限於該樣態,例如藉由對應從各半導體雷射光源11射出之光線束(22a,22b,22c)所配置的複數擴散板構成亦可。
聚光光學系14係對從擴散光學系13射出之光線束(23a,23b,23c)聚光的聚光透鏡。利用於聚光光學系14的前段配置擴散光學系13,在聚光光學系14的射入面20,從不同之前述半導體雷射光源11射出之光線束(23a,23b,23c)的一部分重疊。於圖2A中,於聚光光學系14的射入面20中,光線束23a與光線束23b的一部分重疊,光線束23b與光線束23c的一部分重疊。再者,將光線束23a與光線束23b於聚光光學系14的射入面20上重疊的面積設為S1,將前述射入面上之光線束23a的照射面積設為S2時,S1/S2之值係20%以上70%以下為佳,30%以上50%以下更理想。關於其他鄰接之光線束彼此的重疊也相同。
於聚光透鏡14的射入面20中,利用將強度分布均勻化的光線藉由聚光透鏡14聚光,可取得角度分布均勻化的光線。
如圖1所示的積光器光學系15係以射入面16成為聚光光學系14之焦點的位置之方式配置。但是,在本說明書中,「配置於焦點位置」係除了完全與焦點位置一致之狀況之外,包含相對於焦點距離僅往與光軸17平行的方向移動±10%的距離之位置的概念。再者,圖1之光軸17係設為與積光器光學系15的射入面16正交的軸。
積光器光學系15係具有使從射入面16射入之光線的位置分布均勻化後射出的效果。所以,從聚光光學系14射出之角度分布均勻化的光線束(24a,24b,24c),射入至積光器光學系15的射入面16,位置分布均勻化後,從積光器光學系15射出。藉由以上內容,取得位置分布與角度分布均勻化的光線。
進而,本實施形態的曝光用光源裝置1係如圖1所示般,為了獲得曝光裝置所需的光強度,具備複數個圖2A所示的半導體雷射單元10,使來自各半導體雷射單元10的射出光射入至積光器光學系15。
更具體來說,如上所述,配置於各半導體雷射單元10之聚光光學系14的射入面20,配置於以積光器光學系15的射入面16與光軸17的交點為中心的球面上。藉此,來自複數半導體雷射單元10的射出光會被導引至積光器光學系15,故可取得曝光裝置所需的光強度。再者,如果是從半導體雷射單元10射出的光線射入至積光器光學系15的配置的話,聚光光學系14的射入面20不配置於嚴密的球面上亦可。
例如,如上所述,利用將複數半導體雷射單元10分別具備之聚光光學系14的射入面20以成為相互非平行之方式配置,可將從各半導體雷射單元10射出之光線導引至積光器光學系15的射入面16。
[第二實施形態]
針對本發明的曝光用光源裝置之第二實施形態的構造,以第一實施形態及第二實施形態不同之處為中心進行說明。
圖3係模式揭示曝光用光源裝置之第二實施形態的構造例的圖面。第一實施形態的曝光用光源裝置1係為了將來自複數半導體雷射單元10的射出光導引至積光器光學系15,配置於各半導體雷射單元10之聚光光學系14的射入面20,配置於以積光器光學系15的射入面16與光軸17的交點為中心的球面上。相對於此,圖3所示之本實施形態的曝光用光源裝置1,係相較於第一實施形態,將配置於各半導體雷射單元10之聚光光學系14的射入面20平行配置,並且讓聚光光學系14的構造不同。
具體來說,將配置於各半導體雷射單元10之聚光光學系14的射入面20,配置於相同平面上,聚光光學系14係具備第一光學系14a與第二光學系14b。第一光學系14a係將從擴散光學系13射出之光線束23a,轉換成聚光之光線束24a的光學系(例如聚光透鏡)。第二光學系14b係將光線束24a的行進方向,以朝向至積光器光學系15的射入面之方式轉換的光學系(例如稜鏡)。
依據本實施形態的曝光用光源裝置1,配置於各半導體雷射單元10之聚光光學系14的射入面20,配置於相同平面上,故配置於聚光光學系14的前段之半導體雷射光源11、準直光學系12及擴散光學系13也分別可配置於相同平面上。尤其,可將複數半導體雷射單元10所具備之各半導體雷射光源11配置於相同平面上,故對於不同的半導體雷射單元10所搭載之複數半導體雷射光源11,也可藉由具有單一冷卻面的冷卻機構進行冷卻。藉此,可謀求縮小冷卻機構的尺寸,並且可提升冷卻效率。
再者,複數半導體雷射單元10係為了取得位置分布及角度分布均勻的光線,於XY平面中,以在X方向及Y方向分別成為對稱之方式配置。
於XY平面中,複數半導體雷射單元10以在X方向及Y方向分別成為對稱之方式配置,係例如於X方向及Y方向中,對齊配置複數半導體雷射單元10的構造。又,作為其他配置,也考量以將一個半導體雷射單元10配置於中央,其他半導體雷射單元10包圍其半導體雷射單元10之方式配置成同心圓狀的構造。
圖4係模式揭示將從半導體雷射單元10的Z方向觀察時之擴散光學系13及聚光光學系14的俯視中為圓形者,於XY平面中對齊配置複數個的構造例的圖面。如圖4所示,擴散光學系13及聚光光學系14係從Z方向觀察的俯視中為圓形,在X方向及Y方向半導體雷射單元10對齊配置複數個時的構造例。
從Z方向觀察擴散光學系13及聚光光學系14的俯視圖不作為圓形亦可。例如,從Z方向觀察擴散光學系13及聚光光學系14的俯視圖為正方形的話,可作為於X方向及Y方向中,複數半導體雷射單元10對齊配置的構造,且可縮小鄰接的半導體雷射單元10之間的間隙,可將從各半導體雷射單元10射出之光線束不存在的區域設為最小限度。藉此,可更均勻之角度分布的光線。
圖5係模式揭示從半導體雷射單元10的Z方向觀察擴散光學系13及聚光光學系14的俯視中為六角形的構造的圖面。圖4係擴散光學系13及聚光光學系14從Z方向觀察的俯視中為六角形,以一個半導體雷射單元10配置於中央,其他半導體雷射單元10包圍其半導體雷射單元10之方式配置成同心圓狀的構造。
此時,相對於從Z方向觀察擴散光學系13及聚光光學系14的俯視圖為圓形的狀況,也可縮小鄰接的半導體雷射單元10之間的間隙,可將從各半導體雷射單元10射出之光線束不存在的區域設為最小限度。
也就是說,利用從光軸方向觀察擴散光學系13及聚光光學系14的俯視圖以多角形構成,可縮小鄰接的半導體雷射單元10之間的間隙,也可縮小從各半導體雷射單元10射出之光線束不存在的區域,可取得更均勻的角度分布的光線。
再者,擴散光學系13及聚光光學系14不作為相同形狀亦可。所以,作為分別從Z方向觀察的俯視圖,擴散光學系13為圓形,聚光光學系14為六角形的構造亦可。
如上所述般射出位置分布及角度分布均勻化之光線的曝光用光源裝置1係如下所述,可利用來作為曝光裝置的光源。
圖6係模式揭示曝光裝置之構造的圖面。圖6所示的曝光裝置30係具備前述任一實施形態的曝光用光源裝置1。然後,於積光器光學系15的後段,具備投影光學系31及遮罩32,因應需要,具備投影透鏡33。於藉由投影光學系31所投影的位置設置遮罩32,於遮罩32的後段設置成為轉印遮罩32之圖案像的對象之感光性基板34。
在該狀態下,光線從半導體雷射單元10射出時,利用積光器光學系15成為照度分布被均勻化的光線,照射至投影光學系31。投影光學系31係將該光線直接或透過投影透鏡33,將遮罩32的圖案像投影至感光性基板34上。
曝光裝置30係利用具備前述各實施形態所說明之曝光用光源裝置1,可使用相較於先前,光強度分布更均勻化的光線來進行曝光,可抑制曝光不均。
[其他實施形態]
以下,針對其他實施形態進行說明。
<1>在圖1中,針對半導體雷射光源11是將雷射晶片殼體化所成的光源的狀況進行圖示。但是,複數半導體雷射光源11以配置於所定方向的雷射陣列構成亦可。
<2>上述之曝光用光源裝置1所具備的光學配置樣態僅為一例,本發明並不限定於圖示的各構造。例如,於某光學系與其他光學系之間,適當存在用於使光線的行進方向變化的反射光學系亦可。進而,半導體雷射單元10的配置位置及配置數量,也不限定於圖示的各構造。
1:曝光用光源裝置
10:半導體雷射單元
11:半導體雷射光源
12:準直光學系
13:擴散光學系
14:聚光光學系
14a:第一光學系
14b:第二光學系
15:積光器光學系
16:積光器光學系射入面
17:積光器光學系的光軸
20:聚光光學系射入面
21a,21b,21c:光線束
22a,22b,22c:光線束
23a,23b,23c:光線束
24a,24b,24c:光線束
25:半導體雷射單元的光軸
30:曝光裝置
31:投影光學系
32:遮罩
33:投影透鏡
34:感光性基板
100:半導體雷射光源
101:準直透鏡
102:聚光透鏡
103:聚光透鏡射入面
104:圓柱型積光器
105:圓柱型積光器射入面
106:圓柱型積光器射出面
110a,110b,110c:主光線
111a,111b,111c:主光線
121a,121b,121c:光線束
122a,122b,122c:光線束
123a,123b,123c:光線束
130:區域
140:光軸
150:焦點位置
θ:射入角
[圖1]模式揭示曝光用光源裝置之第一實施形態的構造例的圖面。
[圖2A]模式揭示圖1之半導體雷射單元的圖面。
[圖2B]分別模式揭示圖2A的積光器光學系的射出面之X方向的位置分布與角度分布的圖表。
[圖3]模式揭示曝光用光源裝置之第二實施形態的構造例的圖面。
[圖4]模式揭示從半導體雷射單元的Z方向觀察時之擴散光學系及聚光光學系的俯視中為圓形,複數半導體雷射單元的配置構造例的圖面。
[圖5]模式揭示從半導體雷射單元的Z方向觀察時之擴散光學系及聚光光學系的俯視中為六角形,複數半導體雷射單元的配置構造例的圖面。
[圖6]模式揭示曝光裝置之構造的圖面。
[圖7A]模式揭示以半導體雷射光源與準直透鏡與聚光透鏡所構成之曝光用光源裝置的圖面。
[圖7B]分別模式揭示圖7A的聚光透鏡的焦點位置之X方向的位置分布與角度分布的圖表。
1:曝光用光源裝置
10:半導體雷射單元
11:半導體雷射光源
12:準直光學系
13:擴散光學系
14:聚光光學系
15:積光器光學系
16:積光器光學系射入面
17:積光器光學系的光軸
Claims (4)
- 一種曝光用光源裝置,其特徵為具備: 複數半導體雷射單元,係分別包含複數半導體雷射光源、將從前述半導體雷射光源射出之光線束,轉換成大略平行之光線束射出的複數準直光學系、從前述複數準直光學系射出之複數光線束被射入,將該等分別轉換成發散之光線束射出的擴散光學系、及對從前述擴散光學系射出之光線束聚光的聚光光學系所成;及 積光器光學系,係於從前述複數半導體雷射單元射出之複數光線束聚光的位置,配置射入面; 前述擴散光學系,係配置於從不同之前述半導體雷射光源射出之光線束的至少一部分在前述聚光光學系的射入面上重疊的位置。
- 如請求項1所記載之曝光用光源裝置,其中, 前述聚光光學系,係從前述半導體雷射單元的光軸方向觀察時的俯視中為多角形。
- 如請求項1或2所記載之曝光用光源裝置,其中, 前述複數半導體雷射單元之個別的前述聚光光學系的射入面,配置成非平行。
- 如請求項1或2所記載之曝光用光源裝置,其中, 前述複數半導體雷射單元之個別的前述聚光光學系,係具備對從前述擴散光學系射出之光線束聚光的第一光學系,與將主光線的行進方向,轉換至前述積光器光學系之射入面的方向的第二光學系; 個別之前述第一光學系的射入面,配置成平行。
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