КОНДЕНСОРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ Российский патент 1998 года по МПК G02B19/00 

Изобретение относится к светотехнике и проекционным оптическим системам и может найти широкое применение в фотолитографии.

Известен конденсорный излучатель [1], содержащий двухсегментный контротражатель, короткодуговой источник излучения и трехлинзовую систему. Контротражатель, состоящий из двух сегментов полусферического зеркала, радиусы кривизны которых равны, а центры кривизны смещены от оптической оси на определенное расстояние, формирует в плоскости разряда два децентрированных изображения (сдвинутых относительно друг друга и относительно разряда). Излучение от разряда и его двух изображений попадает в трехлинзовую оптическую систему. Изменение зазора между сегментами контротражателя позволяет смещать два дополнительных изображения относительно центрального, изменяя их наложение друг на друга и регулируя этим равномерность освечивания кадра. Недостатками данного устройства являются то, что, во-первых, эффективный угол охвата трехлинзовой системы не превышает 80^o при коэффициенте пропускания 0,7 [2, 111], во-вторых, малый размер равномерно освечиваемого пятна, в-третьих, большие потери при диафрагмировании равномерной зоны относительно всей освечиваемой поверхности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является зеркальный конденсорный излучатель [3, с. 94] , получивший наибольшее распространение в осветительных системах, содержащий центрированные по оптической оси отражатель, короткодуговой источник излучения и контротражатель. В качестве отражателя используется эллиптическое интерференционное зеркало, в первом фокусе которого расположен источник излучения, формирующий дуговой разряд. С противоположной стороны концентрично зоне разряда установлен сферический зеркальный контротражатель. Изображение дугового разряда формируется во втором фокусе эллиптического отражателя, совмещенном с кадровым окном (входным зрачком объектива) последующей оптической системы. Эффективность работы устройства определяется углами охвата, которые для отражателя и контротражателя составляют величину до 180^o. Поскольку контротражатель экранирует часть потока излучения от центральной зоны в пределах угла до 40^o и соответствующее этой величине собственное отражение, то суммарный угол охвата составляет величину до 280^o. Вследствии этого и учитывая пространственные кривые распределения силы излучения разряда, максимумы которых лежат вдоль оптической оси, величина потерь излучения составляет более 30% от общего потока излучения источника. Это является основным его недостатком. Другим недостатком устройства является малая площадь равномерно освечиваемого пятна. При увеличении площади освечивания неравномерность возрастает. При выполнении отражателя в виде разведенной чаши увеличивается площадь равномерно освечиваемого пятна [2, с. 112, 120] . Размещение перед кадровым окном растровых пластин, выполняющих роль сотового конденсора [3, с. 86, рис. 48], обеспечивает равномерность освечивания проецируемого кадра, но значительно снижает величину потока полезного излучения.

Технической задачей изобретения является увеличение площади и интенсивности равномерно освечиваемого пятна в плоскости кадрового окна.

Это достигается благодаря увеличению угла охвата центральной зоны разряда и децентрированию изображений в объектной плоскости разряда посредством введения по оптической оси децентрирующего двухсегментного контротражателя в центральную часть основного отражателя и дополнительного эллипсоидного отражателя в центральную часть основного контротражателя.

На фиг. 1 и 2 представлен конденсорный излучатель и схема расположения децентрирующих элементов в меридиональном сечении: 1 - децентрирующий контротражатель с двумя сегментами a и b, 2 - эллипсоидный (основной) отражатель, 3 - короткодуговой источник излучения с разрядом v и его изображениями v_a и v_b в объектной плоскости, 4 - контротражатель, 5 - дополнительный эллипсоидный отражатель с фокусами f_a и f_b, 6 - плоскость кадрового окна с изображениями разряда V, V_a и V_b, полученными основной и вновь введенной децентрирующей системами, соответственно.

Конденсорный излучатель работает следующим образом. Зона разряда v источника излучения 3 совмещена с первым фокусом F₁ интерференционного эллипсоидного отражателя 2, угол охвата которого составляет величину 2β ≈ 140^o. С противоположной стороны источника излучения концентрично зоне разряда установлен сферический зеркальный контротражатель 4, центр его внутренней исполнительной поверхности совмещен с центром зоны разряда. Экранирующая часть центральной зоны составляет угол 2γ ≈ 40^o. В пределах этого угла со стороны основного отражателя 2 в его центральную часть введен децентрирующий двухсегментный контротражатель 1, а со стороны основного контротражателя 4 - в его центральную часть дополнительный эллипсоидный отражатель 5. При этом децентрирующий контротражатель состоит из двух полусферических сегментов a и b с радиусами кривизны R_a и R_b, центры кривизны a_z и b_z и вершины A и B смещены ортогонально оптической оси на расстояние l и L, соответственно. Отражатель 5 расположен так, что его малая полуось, равная x, совпадает с оптической осью конденсорного излучателя, образуя вершину C с нормалью N_c по оптической оси. При этом фокусы f_a и f_b отражателя 5 находятся в объектной плоскости разряда v и равноудалены от него. Нормали N_a и N_b, проведенные через вершины A и B сегментов контротражателя 1, пересекаются на оптической оси в вершине C зеркала 5 под углом α = arctg[L/(F₁+x)]. Радиусы кривизны сегментов a и b равны R_a= R_b= F₁/cosα,, а их центры a_z и b_z лежат в плоскости разряда и равноудалены от него на расстояние l = x•tgα.. При выполнении данных соотношений децентрирующий контротражатель 1 формирует в объектной плоскости ортогонально оптической оси два изображения разряда v_a и v_b, сдвинутых относительно друг друга и относительно самого разряда v. Посредством сопряжения в объектной плоскости изображений разряда v_a и v_b с фокусами f_a и f_b отражателя 5 излучение центральной части лампы попадает на основной отражатель 2. Поскольку изображения разряда v_a и v_b смещены в первой фокальной плоскости F₁ отражателя 1 на величину l относительно самого разряда, то во второй фокальной плоскости F₂, в которой находится кадровое окно 6, формируются два изображения разряда V_a и V_b (на фиг. 1 и 2 показано плотной штриховкой для V_b, для V_a аналогично V_b и симметрично оптической оси) дополнительно к основным изображениям V, полученным известным способом [2, с. 120]. При этом поток, сформированный основной системой 2, 3, и 4 конденсорного излучателя, не претерпевает изменений при введении децентрирующих элементов 1 и 5. В результате этого при использовании излучения центральной части лампы интенсивность светового потока в плоскости кадрового окна возрастает на величину охвата, равную 2γ ≈ 40^o, что составляет около 20% от общего потока излучения источника. Другая часть децентрирующего потока излучения рассеивается на колбе источника. При изменении угла α изменяется интенсивность децентрирующих потоков, и, следовательно, яркость освечивания изображений V_a и V_b. При изменении зазора между изображениями v_a и v_b и разрядом v в плоскости F₁ изменяется расстояние или величина наложения V_a и V_b на изображения V в плоскости F₂. Таким образом, увеличивается площадь или интенсивность освечиваемого кадрового окна. Взаимной регулировкой всех элементов устройства добиваются равномерности освечивания. При увеличении зазора между разрядом и его изображениями аберрации резко возрастают вследствие влияния колбы лампы. Поэтому наиболее эффективный зазор составляет величину в пределах сечения разряда. Уменьшить влияние колбы лампы возможно при изготовлении эллипсоидного зеркала 5 непосредственно внутри эллипсоидной колбы лампы при соблюдении условий сопряжения фокусов эллипса в ортогональных сечениях разряда относительно децентрирующих сегментов и оптической оси.

Отличительными признаками заявленной совокупности являются: децентрирование изображений в объектной плоскости разряда посредством смещения L и наклона α нормалей вершин сферических сегментов децентрирующего контротражателя относительно оптической оси и введение дополнительного эллипсоидного зеркала, фокусы которого лежат в объектной плоскости разряда ортогонально оптической оси и сопряжены с изображениями разряда в этой плоскости.

Преимущество заявляемого конденсорного излучателя по сравнению с прототипом заключается в следующем: во-первых, повышается яркость освечиваемого пятна на величину, пропорциональную углу охвата 2γ ≈ 40^o, которая ранее не использовалась; во-вторых, увеличивается площадь или равномерность освечивания пятна за счет смещения или наложения изображений в плоскости кадрового окна.

Литература
1. Xenon optics system. USA Patent, N 3.302.517.

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

3. Исаев П.И. Эффективность осветительных систем для проекции. - М.: Искусство, 1988. - 207 с.

Излучатель может быть использован в светотехнике и проекционных оптических системах. Излучатель содержит центрированные по оптической оси отражатель, источник излучения и контротражатель. В центральную часть отражателя введен децентрирующий двухсегментный контротражатель. Дополнительный эллипсоидный отражатель введен в центральную часть контротражателя. Нормали, проведенные через вершины сегментов контротражателя, пересекаются с оптической осью в вершине дополнительного отражателя. Центры кривизны сегментов равноудалены от разряда таким образом, что расположения изображений разряда в объектной плоскости сопряжены с фокусами дополнительного отражателя. Технический результат заключается в увеличении площади и интенсивности равномерно освечиваемого пятня в плоскости кадрового окна. 2 ил.

Конденсорный излучатель, содержащий центрированные по оптической оси отражатель, источник излучения и контротражатель, отличающийся тем, что введены децентрирующий двухсегментный контротражатель в центральную часть отражателя и дополнительный эллипсоидный отражатель в центральную часть контротражателя так, что нормали, проведенные через вершины сегментов, пересекаются с оптической осью в вершине дополнительного отражателя под углом
α = arctg[L/(F₁+x)],
где L - смещение вершин сегментов по ортогонали относительно оптической оси;
F₁ - первое фокусное расстояние отражателя;
x - расстояние от разряда до вершины дополнительного отражателя,
при этом радиусы кривизны сегментов соответствуют F₁/cosα, а центры их кривизны равноудалены от разряда на расстояние l = x•tgα так, что расположения изображений разряда в объектной плоскости сопряжены с фокусами дополнительного отражателя.