КОНДЕНСОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК G02B19/00 G02B27/18 

Изобретение относится к светотехнике и проекционным оптическим системам и может найти широкое применение в фотолитографии, фото- и кинотехнике.

Известен конденсорный излучатель [1,с.93], содержащий оптически соединенные эллипсоидный отражатель, источник излучения и сферический контротражатель с отверстием, центр которого совмещен с оптической осью конденсорного излучателя. В качестве отражателя используется эллиптическое интерференционное зеркало с углом охвата до 180^o. В первом фокусе отражателя расположен источник излучения - ксеноновая лампа, формирующая дуговой разряд. С фронтальной стороны концентрично источнику излучения установлен сферический зеркальный контротражатель, сферический радиус которого много больше радиуса колбы лампы. Благодаря наличию выходного отверстия в контротражателе излучение дугового разряда, пройдя через это отверстие, формирует изображение разряда во втором фокусе эллиптического отражателя, где расположено кадровое окно.

Этот конденсорный излучатель имеет ряд недостатков. Поскольку значительная часть энергии излучения источника сосредоточена в зоне разряда (в центральной части конденсора) и практически отсутствует на краях лампы, а эффективный угол охвата эллипсоидного отражателя определяется его центральной частью - излучением вблизи оптической оси конденсорного излучателя, то большая часть рабочих поверхностей отражателя и контротражателя не работает. Более того, в связи с наличием выходного отверстия контротражателя около 50% потока излучения не может быть охвачено им и рассеивается в телесном угле за пределами контротражателя. Для более эффективного использования потока излучения за счет уменьшения выходного отверстия контротражателя до размера кадра необходимо увеличить радиус контротражателя до величины, равной расстоянию от источника излучения до второй фокальной поверхности. Это неоправданно увеличивает громоздкость устройства, поскольку интенсивность потока излучения в плоскости изображения обратно пропорциональна квадрату расстояния, пройденного лучами по пути источник - контротражатель - отражатель - кадровое окно. Более того, большой радиус контротражателя осложняет размещение и компоновку последующей оптической системы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству является конденсорный излучатель [1,с.90], содержащий оптически соединенные эллипсоидный отражатель, контротражатель, источник излучения и линзу. В таком конденсорном излучателе зона разряда газоразрядной лампы совмещена с первым фокусом глубокого эллипсоидного отражателя. Часть потока излучения лампы, не попадающего на отражатель, захватывается линзой с фронтальной стороны, а с тыльной стороны лампы - сферическим контротражателем, установленным концентрично источнику излучения. Эллиптический отражатель на своей второй фокальной плоскости формирует изображение периферийной части зоны разряда, а центральную часть зоны разряда на эту же плоскость проецирует линза. Сконцентрированные во второй фокальной плоскости излучения поступают для дальнейшего формирования потока на растровую оптику или во входной зрачок объектива последующей оптической системы.

Недостатками этого устройства являются, во-первых, его малая эффективность охвата потока излучения, с одной стороны, из-за фронтального рассеяния значительной части потока излучения при использовании отражателя с углом охвата до 180^o, т. к. угол охвата линзы не может превышать 40^o. В противном случае резко возрастают аберрации и связанные с этим потери излучения. С другой стороны, малая входная апертура линзы требует большой выходной апертуры отражателя с углом охвата более 180^o. Однако при этом на значительную площадь отражателя поток излучения не попадает вследствие ориентации пространственной кривой распределения силы света, максимум которой приходится на горизонтальную плоскость, проходящую через зону разряда, т.к. лампа расположена вертикально и близко к его основанию Во-вторых, имеется неравномерность освечивания кадрового окна как из-за разницы коэффициентов линейного увеличения линзы и отражателя, так и из-за того, что линза в совокупности с контротражателем формируют изображения разряда путем охвата центральной части зоны разряда, а отражатель - периферийной ее части. Это требует дополнительной последующей выравнивающей (растровой) оптики, что приводит к существенным потерям потока излучения.

Технической задачей изобретения является эффективное увеличение использования полезного потока излучения и выравнивание освечивания кадрового окна за счет повышения габаритной яркости разряда путем охвата части фронтального потока излучения и его направленного концентрического возвращения в зону разряда и на отражатель. Это достигается благодаря тому, что в конденсорный излучатель, содержащий оптически соединенные эллипсоидный отражатель, контротражатель, источник излучения и линзу, между источником излучения и линзой введен фронтальный контротражатель с отверстием, центр которого совмещен с оптической осью конденсорного излучателя, при этом сферический радиус фронтального контротражателя не превышает двойного радиуса колбы лампы, а размер отверстия пропорционален апертуре входного зрачка линзы. При равенстве радиусов колбы лампы и фронтального контротражателя размер отверстия минимальный, а охват фронтального потока излучения максимально возможный при неизменной апертуре входного зрачка линзы.

На чертеже представлен конденсорный излучатель: 1 - контротражатель, 2 - отражатель, 3 - источник излучения, 4 - зона разряда, 5 - фронтальный контротражатель, 6 - линза, 7 - кадровое окно (плоскость изображения); лучи 1', 2', 3' и 1", 2", 3" - падающие и преломленные линзой 6; лучи 2^*, 3^* и 4^* - возвращаемые обратно в зону разряда 4 посредством отражения от фронтального контротражателя 5 и контротражателя 1 соответственно; F₁, F₂ - первый и второй фокусы отражателя 2; f₁, f₂ - фокусные расстояния линзы 6; R, r, ρ - радиусы контротражателя 1, фронтального контротражателя 5 и колбы источника излучения; S₁, S₂, S₅, S₆ - внешние апертуры контротражателя 1, отражателя 2, фронтального контротражателя 5 и линзы 6; S_2', S_5' -внутренние апертуры (отверстия) отражателя 2 и фронтального контротражателя соответственно; 2α,2β,2γ - эффективные углы охвата отражателя 2, фронтального отражателя 5 и линзы 6.

Конденсорное устройство работает следующим образом.

В отъюстированном состоянии зона разряда источника излучения 3 совмещена с первым фокусом интерференционного эллиптического отражателя 2, угол охвата которого 2α может составлять величину более 180^o. С тыльной стороны концентрично зоне разряда источника излучения в отверстии основания эллиптического отражателя установлен сферический зеркальный контротражатель 1. Центр сферической внутренней исполнительной поверхности контротражателя совмещен с центром зоны разряда источника излучения. Сферический радиус R контротражателя 1 равен первому фокусному расстоянию F₁ эллиптического отражателя 2. Апертуры S₁ контротражателя 1 и S₆ линзы 6 соответствуют углу охвата 2γ . Между линзой 5 и источником излучения 3 в непосредственной близости с ним и концентрично его зоне разряда расположен фронтальный контротражатель 5. Его внешняя апертура S₅ ограничена пересечением радиальных лучей 1', выходящих из источника излучения в направлении к краю отражателя, и концентрических лучей 3", отраженных от центральной части последнего. Внешняя S₅ и внутренняя S_5' апертуры фронтального контротражателя определяются соответственно в виде , где h - коэффициент оптического увеличения линзы. Изображение разряда формируется на второй фокальной поверхности эллиптического отражателя, в которой размещено кадровое окно 7, совокупностью отраженных от зеркала 2 лучей 1", 2", 3" и преломленных линзой лучей 4". Фронтальный контротражатель 5 своей рабочей зеркальной поверхностью, ограниченной апертурами S₅ и S_5', создает перевернутое изображение разряда источника на самом разряде, возвращая поток излучения, расходящийся под углом 2β , в зону разряда (лучи 2^*, 3^*) и направляя его на отражатель 2 (лучи 2', 3'). Эллипсоидный отражатель 2 проецирует на кадровое окно как сам разряд (область, ограниченную лучами 1' - 3' или 1" - 3" и определяющую эффективный угол охвата отражателя 2α , так и его изображение, создаваемое фронтальным контротражателем (область, ограниченную лучами 2'-3' или 2" - 3", определяющую эффективный угол охвата фронтального контротражателя 2β . Благодаря этому повышается габаритная яркость источника. Интенсивность потока излучения в пределах лучей 4" определяется светосилой линзы 6 - ее апертурой S и углом охвата 2γ и контротражателем 1. Контротражатель 1, так же как и контротражатель 5, возвращает часть потока излучения в центр разряда, дополнительно направляя его в зрачок линзы. Таким образом, интенсивность освечивания кадрового окна 7 лучами 1", 2" и 3" определяется совокупностью эффективных углов охвата отражателя 2α и фронтального контротражателя 2β ; а лучами 4" - совокупностью эффективных углов охвата контротражателя и линзы 2γ и их апертурами.

Поскольку контротражатель 5 с углом охвата 2β перекрывает фронтальный поток излучения, расходящийся под углом, образованным между лучами 1' и 4", и возвращает его в центр разряда и далее на центральную часть отражателя, где он суммируется с лучами 2' и 3', то интенсивность потока излучения увеличивается на 20 - 30% от общего количества потока излучения, формируемого отражателем [2, с.69]. Поскольку при проецировании разряда и его изображения в плоскость кадрового окна линза преобразует центральную часть разряда с коэффициентом оптического увеличения не более двух, а отражатель - периферийную его часть с оптическим увеличением около 5 [2, с.104-105], то, учитывая кривую распределения силы излучения, дополнительное направление фронтальным контротражателем потока излучения (лучи 2^*, 3^*) на отражатель увеличивает суммарный концентрический поток излучения (на чертеже) показан более плотной штриховкой). Этим достигается энергетическое выравнивание потоков излучений, формируемых совокупностью отражатель - фронтальный контротражатель и совокупностью линза - контротражатель. В результате увеличивается равномерность освечивания кадра. Из чертежа видно, что чем ближе к колбе источника излучения расположен фронтальный контротражатель и чем меньше его сферический радиус r (ρ≤r<R) , тем эффективнее его работа.

При выполнении фронтального контротражателя 5 с размерами внешней и внутренней апертур, соответственно равных S₅ и S_5', лучи 3", отраженные от центральной части зеркала, не экранируются, а лучи 4', расходящиеся под углом 2β , не диафрагмируются. Поскольку апертура S линзы 6 ограничена телесным углом 2γ , то лучи 3" не пересекаются лучами 4' и 4", следовательно, аберрации и связанные с ними потери излучения отсутствуют. Таким образом, суммарная интенсивность освечивания кадра 7 лучами 1", 2", 3" и 4" определяется эффективностью охвата потока излучения отражателем 2 в совокупности с фронтальным контротражателем 5 и линзой 6 в совокупности с контротражателем 1. Перемещая фронтальный контротражатель вдоль оптической оси в пределах между источником излучения и линзой и экранируя этим либо радиальные лучи 4', либо концентрические лучи 3", достигается оперативная регулировка равномерности освечивания кадра без изменения оптической схемы конденсорного излучателя. Эффективность конденсорного излучателя определяется соотношением геометрических размеров всех его элементов и оперативностью регулировки равномерности освечивания кадрового окна.

Преимущество заявляемого конденсорного устройства по сравнению с прототипом при вертикальном рабочем расположении источника излучения заключается в следующем. Во-первых, охват значительной части фронтального потока излучения источника, рассеиваемого между лучами 1' и 4', осуществляется фронтальным контротражателем, введенным между источником излучения и линзой концентрично источнику вдоль оптической оси. Благодаря этому используется не глубокий отражатель, а отражатель с углом охвата до 180^o и значительно меньшей апертурой S₂, следовательно, с меньшими размерами. Во-вторых, выполняя фронтальный контротражатель в виде сферического слоя, ограниченного апертурами S₅ и S_5' и радиусом r, близким к радиусу колбы источника, удается эффективно собрать, сконцентрировать в зоне разряда и направить на отражатель дополнительно до 20^oC30% потока излучения. С учетом того, что максимум диаграммы распределения силы излучения сосредоточен во взаимно-ортогональных плоскостях, пересекающих разряд, а также за счет центрального охвата фронтальным контротражателем потока излучения без экранирования основного потока излучения интенсивность освечивания кадра увеличивается в среднем на 30%. В-третьих, равномерность освечивания кадрового окна можно увеличить в два раза при использовании в предлагаемом конденсорном излучателе широко применяемых в кинопроекционных системах с ксеноновыми источниками эллипсоидных отражателей типа "разведенная чаша" [3,с.112]. Такие отражатели имеют угол охвата 180^o и конструктивную особенность: две половины отражателя, разделенные вертикальным диаметром, развернуты относительно друг друга на угол 24'. Благодаря этому получаются два изображения разряда, расположенные рядом. Поскольку фронтальный контротражатель создает действительное, перевернутое, равное по величине разряда изображение, которое находится в плоскости самого разряда, то совокупностью отражатель-фронтальный контротражатель на кадровом окне формируются четыре изображения разряда, перевернутые относительно друг друга и попарно наложенные друг а друга. Таким образом, учитывая центральную пару изображений, формируемых совокупностью линза - контротражатель, на кадровом окне получаются три пары взаимоперевернутых и наложенных друг на друга изображений. Перемещением отражателя относительно источника излучения вдоль оптической оси достигается изменение расстояния между парами изображений. Этим регулируется выравнивание освечивания кадра. В-четвертых, варьируя перемещение фронтального контротражателя вдоль оптической оси, оперативно осуществляется регулировка равномерности освечивания кадра.

Источники информации
1. Исаев П.И. Эффективность осветительных систем для проекции. - М.: Искусство, 1988.

Андрейченко К. С. Оптика и оптические системы. - Минск.: Высшая школа, 1986.

3. Гинзбург Л.С., Данилов К.Б., Королев Н.М. Кинопроекционная техника. - М.: Искусство, 1986.

Использование: конденсорный излучатель может быть использован в проекционных оптических системах, фотолитографии, фото- и кинотехнике. Конденсорный излучатель содержит отражатель, контротражатель, источник излучения и линзу. Между источником излучения и линзой введен фронтальный контротражатель с отверстием, центр которого совмещен с оптической осью конденсорного излучателя. Радиус фронтального контротражателя не превышает двойного радиуса колбы источника излучения, а размер отверстия прямо пропорционален апертуре входного зрачка линзы. 1 ил.

Конденсорный излучатель, содержащий оптически связанные между собой отражатель, источник излучения, контротражатель, установленный с тыльной стороны источника излучения, и линзу, отличающийся тем, что между источником излучения и линзой введен сферический фронтальный контротражатель с отверстием, центр которого совмещен с оптической осью конденсаторного излучателя, при этом радиус фронтального контротражателя не превышает двойного радиуса колбы источника излучения, а размер отверстия прямо пропорционален апертуре входного зрачка линзы.