CH625055A5 - Annular optical device having a specific (unitary) power - Google Patents

Description

La présente invention concerne un dispositif optique à champ annulaire à puissance unitaire destiné à former une image d'un

3

625 055

Surface No de l'objet à l'image

Rayon (mm)

Distance à la surface suivante

Matériaux

0

(plan)

144.92

Air

Objet

1

-144.96

11.03

Silice fondu

2

-151.75

88.70

Air

3

-957.30

16.75

Silice fondu

4

-967.84

295.25

Air

5

-551.15

-279.07

Air

Miroir

6

-267.18

279.07

Air

Miroir

7

-551.15

-295.25

Air

Miroir

8

-967.84

-16.75

Silice fondu

9

-957.30

-88.70

Air

10

-151.75

-11.03

Silice fondu

11

-144.96

-144.92

Air

12

(plan)

Image et rayon de l'anneau= 100 mm.

Rayon de l'anneau = 100 mm.

Surface No de l'objet à l'image

Rayon (mm)

Distance à la surface suivante

Matériaux

0

(plan)

107.13

Air

Objet

1

-128.18

107.13

Silice.fondu

2

-135.29

378.48

Air

3

-541.32

-273.56

Air

Miroir

4

-264.61

273.56

Air

Miroir

5

-541.32

-590.28

Air

Miroir

6

-1772.58*

-7.01

Silice fondu

7

(plan)

-587.26

Air

8

541.32

273.56

Air

Miroir

9

264.61

-273.56

Air

Miroir

10

541.32

378.48

Air

Miroir

11

135.29

10.48

Silice fondu

12

128.18

107.13

Air

13

(plan)

Image

*Surface asphérique symétriquement disposée sur l'axe optique Ecart, X, par rapport à la surface plane à la distance r de l'axe:

X= -1772.58-1-^/1772.58-r2 + 1.732xl0-8r4+4.210x10-

13r6

+ 8.278x10-I8r8-4.078xl0-21r10

Surface No

Rayon (mm)

Distance à la surface suivante

Matériaux

Note

0

(plan)

151.33

Air

Objet

1

-726.89

28.69

Silice fondu

2

-730.32

410.82

Air

3

-552.06

-280.16

Air

Miroir

4

-267.18

280.16

Air

Miroir

5

-552.06

-363.25

Air

Miroir

6

-160.78

-24.03

Silice fondu

7

-145.19

-272.77

Air

8

145.19

-24.03

Silice fondu

9

-160.78

-363.25

Air

10

552.06

280.16

Air

Miroir

11

267.18

-280.16

Air

Miroir

12

552.06

410.82

Air

Miroir

13

730.32

28.69

Silice fondu

14

726.89

151.33

Air

15

(plan)

Image

625 055

4

objet avec un grossissement égal à l'unité, et en particulier un dispositif optique à larges bandes spectrales.

Le dispositif optique selon l'invention est particulièrement adapté entre autres utilisations possibles pour effectuer l'exposition de la couche de réserve photographique (photoresist) revêtant les grilles semi-conductrices au cours de la fabrication de circuits intégrés. On connaît déjà un système catadioptrique qui fournit une image d'un objet avec un coefficient de résolution élevé, cette image étant reproduite dans ses détails les plus fins sous un grossissement unitaire, caractérisé en ce qu'il comporte des miroirs convexes et concaves ayant leurs centres de courbure au même point. Les miroirs sont agencés de manière à produire au moins trois réflexions dans le système, ils sont utilisés dans le système avec leurs conjugués sur l'axe en ce point et pour réaliser deux zones conjuguées à grossissement unitaire disposées dans un plan contenant les centres de courbure, l'axe du système étant normal à ce plan et passant par ce point. Bien que ce système présente de nombreuses caractéristiques et avantages, la présente invention concerne un perfectionnement de ce système. Les résultats souhaités sont obtenus par les dispositions qu'indique la revendication 1.

Selon une forme de réalisation, ce dispositif comporte d'autre part un dispositif de compensation chromatique qui est disposé entre les miroirs et les positions objet et image, ce dispositif étant par exemple constitué par une plaque plane parallèle montée normalement sur l'axe optique des miroirs. De façon préférentielle, l'une des faces de la plaque plane parallèle est asphérique, ou la plaque est constituée par un élément de ménisque monté normalement par rapport à l'axe optique des miroirs.

Selon une autre forme de réalisation, les miroirs concaves et convexes sont agencés de manière que leurs centres de courbure sont séparés d'une distance au moins approximativement égale à 2% de la longueur du rayon le plus court, ces miroirs étant placés de telle façon qu'on observe trois réflexions sur le miroir concave et deux réflexions sur le miroir convexe. Selon une forme de réalisation, ce système optique comporte une première moitié et une seconde moitié qui comportent chacune un système optique à puissance unitaire comportant un axe optique et ayant des plans conjugués sensiblement normaux par rapport à cet axe. Les deux moitiés sont disposées coaxialement dos à dos de telle façon que leurs plans cnjugucs soient superposés sur au moins un côté du système optique de façon à former une position image intermédiaire, et agencées de manière à réaliser des positions objet et image distinctes de l'autre côté du système optique. Dans cette réalisation chaque moitié du système optique comporte un élément de ménisque disposé symétriquement et sensiblement concentrique, dont le rayon convexe est supérieur au rayon concave et dont l'épaisseur est supérieure à la différence entre les rayons concave et convexe, ainsi qu'au moins un élément de correction chromatique.

Selon une forme de réalisation, chaque système optique à puissance unitaire comporte un miroir sphérique concave et un miroir sphérique convexe disposé en regard du miroir concave.

lesdits miroirs étant agencés de façon à ce que leurs centres de courbure coïncident sensiblement. On prévoit des moyens pour définir une position pour un objet de telle façon que son image soit réelle dans une seconde position, ledit miroir convexe étant disposé de façon à réfléchir sur le miroir concave la lumière en provenance de l'objet initialement réfléchi vers le miroir convexe par le miroir concave, la lumière en provenance de l'objet étant réfléchie au moins deux fois sur le miroir concave et au moins une fois sur le miroir convexe avant d'être focalisée dans le plan image. Les petites aberrations qui apparaissent suite à un défaut de concentricité du ménisque sont compensées par l'introduction d'un défaut réduit de la concentricité de la paire de miroirs. C'est-à-dire, dans chaque moitié du système optique, les miroirs concave et convexe sont disposés de telle façon que leurs centres de courbure soient éloignés d'une longueur inférieure à 2% de la longueur du rayon le plus court.

De façon préférentielle, l'élément de correction chromatique est une plaque plane parallèle montée normalement sur l'axe optique des miroirs. Selon certaines formes de réalisation, la plaque de correction chromatique est montée à l'endroit de l'image intermé-5 diaire et dans d'autres formes de réalisations elle est montée dans chaque moitié du système.

Selon une autre forme de réalisation du système, les deux moitiés du système optique sont disposées coaxialement dos à dos de façon à ce que les plans conjugués soient superposés sur les deux côtés du io système de façon à ce qu'on obtienne une position image d'un côté et une position superposée objet-image de l'autre côté. On prévoit des moyens tels que des miroirs pivotants pour obtenir des positions objet et image séparées et pour les rendre accessibles en vue d'installations pratiques.

15 Selon d'autres formes de réalisations, les deux moitiés du système optique sont disposées coaxialement dos à dos de façon à former une image intermédiaire sur l'un des côtés et des positions objet et image distinctes de l'autre côté. Dans ce but, l'image intermédiaire est décalée axialement des autres positions conjuguées dans au moins 20 une des moitiés du système. Selon certaines formes de réalisations la distance entre les deux éléments de miroirs à l'image intermédiaire est supérieure à la distance à l'autre position conjuguée dans au moins une des moitiés du système, de façon à espacer les positions objet et image dans l'autre moitié. Dans une autre forme de 25 réalisation la distance entre les éléments de miroirs à la position intermédiaire est inférieure à la distance aux autres positions conjuguées dans au moins une des moitiés du système, de façon à former des plans objet et image croisés. Dans ce cas, on prévoit des éléments réfléchissants interposés entre les positions objet et image 30 de façon à les rendre physiquement accessibles.

Il est à noter qu'une condition nécessaire pour qu'il n'y ait pas de courbure de champ (par exemple pour une surface image plane) dans le système résultant est que la somme algébrique des quantités obtenues par division de la puissance de chaque surface par son 35 indice de réfraction soit sensiblement nulle, l'indice de réfraction de la surface réfléchissante étant défini comme négatif. Les éléments de ménisque réfringent, qui sont des composants essentiels du système optique selon l'invention, engendrent une variation chromatique sur la somme algébrique susmentionnée de telle sorte que même si cette 40 somme est sensiblement nulle, on observe une variation relative de la courbure de champ selon la couleur. Conformément à l'invention, la position du foyer est constante pour une large bande spectrale par l'introduction d'une différence chromatique longitudinale du foyer, ce qui compense la variation de courbure de champ chromatique 45 dans le champ annulaire du système optique.

La présente invention sera mieux comprise en référence à la description des exemples de réalisation et du dessin annexé dans lequel:

la fìg. 1 représente schématiquement un système optique réalisé 50 conformément aux concepts de la présente invention;

la flg. 2 représente schématiquement un système optique double comportant deux systèmes optiques disposés dos à dos et similaires au système de la fìg. 1 ;

la fig. 3 représente schématiquement un système optique 55 similaire au système de la flg. 2, mais simplifié en ce que les deux moitiés ne sont plus symétriques tandis que le système dans son ensemble reste symétrique;

la fig. 4 est une représentation schématique d'un système d'optique identique à celui de la fig. 3. mais simplifié en ce que les deux 60 plaques de corrections chromatiques sont réunies en un seul élément et par l'élimination des plaques doubles nécessaires à séparer l'objet et l'image finale en rendant les distances conjuguées des deux éléments de miroirs inégales;

les fig. 5 à 7 illustrent schématiquement d'autres formes de 65 réalisation du système optique selon l'invention;

la fig. 8 est une représentation schématique d'un système optique analogue à celui de la fìg. 1 et illustrant une autre forme de réalisation de l'invention, et

5

625 055

la fig. 9 est une représentation graphique illustrant les variations de position du foyer en fonction de la distance par rapport à l'axe et de la longueur d'onde de la lumière utilisée.

En référence à la fig. 1, le système optique 10 comporte deux miroirs sphériques, un miroir convexe 12 et un miroir concave 14 agencés de manière à produire trois réflexions successives à l'intérieur du système. Les miroirs ont leurs centres de courbure alignés sur l'axe SA et comportent des zones conjuguées disposées en dehors de l'axe aux points O et I. Les points O et I sont disposés de part et d'autre de l'axe SA et à une distance H de cet axe. Dans le système optique illustré par la fig. 2 du brevet US N<> 3748015, le miroir concave forme au point I une image d'un objet placé au point O; le miroir convexe forme une image virtuelle du point I au point O, cette image étant réfléchie par le miroir concave au point I. Il est à noter que l'étendue de l'anneau corrigé pouvant être obtenu par ce système optique est limitée par l'astigmatisme du cinquième ordre inhérent à ce système. L'astigmatisme de haut rang résulte des aberrations sphériques des rayons principaux de ce système.

Il est à noter que des éléments de ménisque peuvent être utilisés pour réduire ou supprimer les aberrations sphériques des rayons principaux parallèles à l'axe optique. Si les éléments de ménisque sont concentriques aux miroirs, ils n'introduisent pas d'aberrations du troisième ordre, exception faite de la courbure de champ lorsque les conjugués se trouvent au centre de courbure commun.

Comme le montre la fig. 1, une paire d'éléments de ménisque 16 sont disposés symétriquement pour réduire les aberrations sphériques des rayons principaux. On remarque que les éléments de ménisque pourraient également servir à réduire les aberrations sphériques des rayons principaux s'ils étaient montés directement de façon adjacente au miroir convexe 12 de façon à ce que la surface du miroir 12 et la surface convexe du ménisque 16 fassent partie de la même surface sphérique. L'astigmatisme de haut rang a été considérablement réduit, ce qui a pour résultat d'accroître l'étendue de l'anneau corrigé.

Une condition nécessaire pour assurer l'absence de courbure de champ, par exemple pour obtenir une surface image plane, dans le présent système, est que la somme algébrique des quantités obtenues par division de la puissance de chaque surface par son indice de réfraction soit sensiblement nulle, l'indice de réfraction de la surface réfléchissante étant considéré comme négatif dans cet arrangement. Du fait que l'indice de réfraction des éléments de ménisque varie avec la longueur d'onde de la lumière utilisée, il apparaît comme évident que l'introduction de ces éléments dans le système optique entraîne une variation de la courbure de champ avec la longueur d'onde. Cela entraîne une variation du foyer en fonction de la distance de l'axe et en fonction de la longueur d'onde de la lumière utilisée comme le montre la fig. 9. Dans un système optique à champ annulaire, la variation en fonction de la distance de l'axe est supprimée par limitation du champ à un anneau dont la distance par rapport à l'axe est constante. La variation de la courbure de champ en fonction de la longueur d'onde dans un tel système entraîne une variation de la position du foyer en fonction de la longueur d'onde, ce qui peut être compensé par l'introduction d'une aberration chromatique de sens opposé. Dans ce but, le ménisque réfringent s'éloigne de la concentricité absolue en ce que le rayon de la surface convexe est inférieur à la somme du rayon de sa surface concave et de son épaisseur. Ceci revient à dire que son épaisseur est supérieure à la différence entre les rayons de sa surface convexe et de sa surface concave, le principe de ce fonctionnement est le suivant:

La variation de la courbure de champ en fonction de la longueur d'onde entraînée dans un ménisque approximativement concentrique dont la puissance est négative est telle que le foyer arrière est plus grand pour les ondes courtes que pour les ondes longues. Un ménisque concentrique dont les conjugués sont localisés en son centre de courbure n'introduit aucune aberration chromatique longitudinale. Ceci est également valable pour un ménisque ayant un conjugué à proximité de son centre de courbure. L'addition d'une lentille positive à un tel ménisque introduit une aberration chromatique longitudinale dans le sens nécessaire pour compenser la variation de position du foyer en fonction de la longueur d'onde résultant de la variation de la courbure de champ (à laquelle contribue le ménisque) en fonction de la longueur d'onde. Ceci peut être obtenu en réalisant un ménisque dont le rayon convexe est inférieur à la somme du rayon concave et de son épaisseur. Ce ménisque est alors équivalent à deux lentilles, l'une étant un ménisque concentrique fictif dont le rayon convexe est égal à la somme de son rayon concave avec l'épaisseur, tandis que la seconde est un ménisque positif d'épaisseur nulle dont le rayon concave est égal au rayon convexe du ménisque fictif précédent et dont le rayon convexe est égal au rayon convexe de l'actuel ménisque. Pour un ménisque approximativement concentrique ayant un rayon concave Rt, unrayon convexe R2, une épaisseur t, et un indice de réfraction N, l'aberration longitudinale chromatique compense le le déplacement du foyer dû à la variation de la courbure de champ en fonction de la longueur d'onde dans un anneau de rayon H lorque:

R2>Rj ett>R2-R1+H2/2n2)(l/R,-l/R2)(D

L'introduction d'une paire de ménisques dont les paramètres satisfont entièrement l'équation 1 dans un système optique tel que celui décrit dans le brevet susmentionné et l'apport de modifications qui seront décrites plus en détail ci-dessous entraînent une diminution des aberrations de haut rang sur une large bande spectrale.

Le système ainsi obtenu peut être considérablement perfectionné en modifiant les ménisques de telle façon que leur épaisseur soit supérieure à celle donnée par l'équation 1. Ceci entraîne une variation de la position du foyer dans un système optique à champ annulaire, le sens de cette variation étant tel qu'elle puisse être compensée par l'introduction d'une plaque plane parallèle d'épaisseur appropriée, telle que la plaque 18 de la fìg. 1. Le degré de liberté supplémentaire résultant de l'introduction de cet élément additionnel permet d'obtenir une meilleure correction.

D'autres perfectionnements peuvent être obtenus en modifiant les plaques planes parallèles dans l'un ou les deux sens suivants:

1. Une des faces de la plaque plane parallèle est rendue asphérique.

2. La plaque plane parallèle est incurvée et se transforme en un élément de ménisque.

Le plus haut degré de correction a été obtenu avec un système dont l'épaisseur du ménisque est supérieure à la valeur obtenue par l'équation 1 et dans lequel la compensation chromatique est obtenue par l'addition de plaques planes parallèles modifiées dans l'un ou l'autre sens décrit ci-dessus. Les petites aberrations qui sont dues au fait que l'élément de ménisque 16 n'est pas parfaitement concentrique, sont compensées par l'introduction d'une petite déformation de la paire de miroirs 12 et 14 qui sont amenés à ne plus être parfaitement concentriques. En pratique, ceci revient à dire que le miroir concave 14 et le miroir convexe 12 sont montés de telle façon que leurs centres de courbure soient distants d'une longueur inférieure à deux pourcents de la longueur du rayon le plus court.

Le tableau 1 ci-dessous indique les données constructives d'un système optique à champ annulaire tel que représenté par la fig. I. Comme connu en soi, le signe + est utilisé pour indiquer qu'une surface est convexe par rapporrt à un objet et que la distance est mesurée de la gauche vers la droite tandis qu'un signe - est utilisé pour indiquer qu'une surface est concave par rapport à un objet et que la distance est mesurée de la droite vers la gauche.

( Tableau en paye suivante )

Le tableau II résume les performances des systèmes optiques à champ annulaire du tableau I pour une bande spectrale large (2800Ä à 5461Ä) dans les termes de la RMS aberration d'onde pour différents rayons de l'anneau. L'étendue de l'anneau utilisable est la

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

625 055 6

Tableau I

Rayon de l'anneau: 100 mm.

Surface N° de l'objet à l'image

Rayon (mm)

Distance à la surface suivante

Matériaux

0

(plan)

144.92

Air

Objet

1

-144.96

11.03

Silice fondu

2

-151.75

88.70

Air

3

-957.30

16.75

Silice fondu

4

-967.84

295.25

Air

5

-551.15

-279.07

Air

Miroir

6

-267.18

279.07

Air

Miroir

7

-551.15

-295.25

Air

Miroir

8

-967.84

-16.75

Silice fondu

9

-957.30

-88.70

Air

10

-151.75

-11.03

Silice fondu

11

-144.96

-144.92

Air

12

(plan)

Image différence entre les valeurs des rayons supérieurs et inférieurs pour lesquels la performance est appropriée à l'application. Il est à noter qu'un système est appelé limité en diffraction, ou de façon plus

Comme indiqué précédemment, un système optique à champ annulairetel que décrit précédemment comporte au moins un miroir convexe et un miroir concave qui sont disposés de façon sensiblement concentrique le long d'un axe optique de façon à former des plans conjugués normaux à cet axe, la puissance du système étant unitaire. La fìg. 1 montre un tel arrangement des miroirs. La fig. 8 illustre un système qui comporte un miroir convexe 12e et un miroir concave 14e disposés concentriquement le long d'un axe optique SA de telle manière qu'on obtienne au total cinq -réflexions à l'intérieur du système, trois réflexions sur le miroir concave 14e et deux sur le miroir convexe 12e. Dans cette réalisation la somme algébrique des puissances sur les surfaces réfléchissantes utilisées est nulle lorsque le rayon du miroir convexe 12e est égal aux deux tiers de celui du miroir concave 14e. De façon analogue à ce qui a été décrit en référence à la fig. 1, le système de la fig. 8 inclut des éléments de ménisque 16e et une plaque de correction chromatique 18e dont la fonction est identique à celle qui a été décrite précédemment.

Il est à noter que les systèmes optiques à champ annulaire tels que décrits sont généralement utilisés pour le balayage optique et dans ce but il est hautement souhaitable que l'objet et l'image soient orientés de la même façon de sorte que leurs supports physiques puissent être maintenus en position l'un par rapport à l'autre tandis que le système optique est mobile pour l'opération de balayage et précise à ouverture limitée lorsque l'aberration d'onde rms est inférieure à 0,07. Pour un système à balayage, cette aberration peut atteindre 0,09 ou 0,1 aux bords de l'anneau.

45 pour que les exigences en vue d'une bonne précision du mouvement de balayage soient minimales. Un dispositif qui répond à ces exigences par l'introduction de trois miroirs plans dans un système optique a été décrit dans le brevet US No 3951546. Un autre moyen pour obtenir le même effet consiste à utiliser deux systèmes so optiques 10 et 10', chacun étant constitué par un système conforme à celui représenté par la fig. 1, disposés dos à dos de telle façon que les plans objet et image soient superposés comme le montre la fig. 2. Le système optique 10 comporte deux miroirs sphériques 12 et 14, une paire d'éléments de ménisque 16 et une plaque de correction 55 chromatique 18; le système optique 10' symétrique comporte deux miroirs sphériques 12' et 14', une paire d'éléments de ménisque 16' et une plaque 18' de correction chromatique. La séparation matérielle entre l'objet et"l'image finale, qui est indispensable pour la mise en place des supports, est obtenue par deux miroirs pivotables 20 et 20' 60 représentés en traits pointillés sur la fig. 2 destinés à déplacer respectivement les positions objet et image aux points O' et I'. Dans un tel arrangement la distance qui sépare les deux miroirs doit être suffisante pour permettre l'opération de balayage. Ce dispositif de miroirs plans pivotables peut évidemment être remplacé par d'autres 65 moyens connus à condition que ces moyens préservent l'orientation de l'image par rapport à l'objet.

Dans le système optique de la fig. 2, l'image intermédiaire 22 est une image fortement corrigée du fait qu'elle est obtenue par le

Tableau II

N.A. =0,17 à l'objet et à l'image

Aberration d'onde RMS (unités de longeur d'onde)

Rayon de

l'anneau (mm)

Longueur d'onde (unités Angstrom)

2800

3200

3650

4000

4358

5461

105

.09

.12

.13

.13

.13

.12

104

.05

.08

.09

.09

.09

.08

103

.02

.04

.05

.06

.06

.05

100

.02

.01

.01

.01

.01

.01

97

.04

.01

.02

.02

.02

.03

96

.06

.02

.02

.03

.03

.03

95

.08

.04

.04

.04

.04

.04

94

.11

.06

.05

.05

.05

.05

93

.13

.08

.07

.07

.06

.06

7

625 055

système optique 10 conforme au système de la fig. 1. Dans ce dispositif chaque moitié 10 et 10' du système optique est symétrique et par conséquent réversible. Puisque, pour la plupart des applications, un haut degré de correction au niveau de l'image intermédiaire n'est pas requis, le système peut être simplifié et la symétrie parfaite s des deux moitiés n'est pas absolument requise; toutefois le système ou au moins les composants réfractants doivent présenter une symétrie d'ensemble, ce qui permet de réduire le nombre de ménisques de compensation et le nombre de plaques de corrections à deux comme le montre la réalisation de la fig. 3. Une moitié du io système optique référencé sous 10a comporte deux miroirs sphériques 12 et 14, un élément de ménisque 16a et une plaque de correction chromatique 18a disposée du côté de l'image intermédiaire 22, tous ces éléments étant disposés symétriquement à partir de l'axe optique SA. L'autre moitié du système optique référencé 15 sous 10a' comporte deux miroirs sphériques 12' et 14', un élément de ménisque 16a' et une plaque de correction chromatique 18a'

disposée à côté de l'image intermédiaire 22, tous ces éléments étant disposés symétriquement sous l'axe optique SA. Pour les mêmes raisons que précédemment, chaque moitié du système optique 20

comporte un miroir pivotable 20 et 20' illustrés en traits pointillés sur la fig. 3 pour décaler les positions de l'objet et de l'image finale respectivement aux points O' et I'.

En référence à la forme de réalisation illustrée par la fig. 4, il est à noter que ces systèmes à image intermédiaire 22 peuvent encore 25 être simplifiés par la combinaison des plaques de corrections chromatiques 18a et 18a' telles qu'elles étaient représentées par la fig. 3 en un seul élément 18b de forme identique tel que représenté par la fig. 4. La symétrie est maintenue en plaçant cet élément correcteur chromatique 18b à l'endroit ou à proximité immédiate 30 de l'image intermédiaire 22. En plus, les miroirs inclinés 20 et 20' de la fig. 3 peuvent être également éliminés en rendant inégale la distance conjuguée d'au moins l'un des deux miroirs 12b, 14b ou 12b', 14b'. De ce fait la distance de l'image intermédiaire aux couples de miroirs est rendue plus grande que la distance objet et/ou image et de ce fait l'image finale I est décalée par rapport à l'objet O. Dans ce système, la plaque de correction chromatique 18b disposée à l'image intermédiaire peut être une vraie plaque plane à faces parallèles.

Dans un vrai système afocal, le grossissement est le même pour toutes les positions conjuguées. Toutefois ceci n'est généralement pas obtenu en pratique parce que les vrais systèmes afocaux ne le restent pas pour toutes les positions dans le champ. Pour le système à grossissement unitaire représenté par la fig. 4 par exemple, si un objet O et une image I sont rapprochés Iongitudinalement de 1 mm, le grossissement d'un anneau de 4 mm varie ± 0,00032. Cette variation qui résulte des tolérances de balayage peut être réduite à ± 0,00001 en rendant asphérique l'une des faces de la plaque de correction chromatique 18b. Une modification du système optique illustré par la fig. 4 estt représentée par la fig. 5 où les ménisques de correction sont déplacés de l'autre côté de l'image intermédiaire par rapport à l'axe optique. Dans cette réalisation, une moitié du système comporte deux miroirs sphériques 12b et 14b et un élément de ménisque 16c disposé du côté de l'objet et de l'image symétriquement au-dessus de l'axe optique SA et l'autre moitié du système comporte deux miroirs sphériques 12b' et 14b' et un élément de ménisque 16c' également disposé du côté de l'objet et de l'image symétriquement au-dessus de l'axe optique SA. Une plaque de correction chromatique 18b est disposée symétriquement en dessous de l'axe optique dans une position très voisine de celle de l'image intermédiaire 22. Comme dans la réalisation de la fig. 4, une des faces de cette plaque est rendue asphérique. D'autre part,

comme dans la réalisation de la fig. 4, les distances de l'image intermédiaire aux couples de miroirs sont supérieures aux distances objet-image de façon à décaler la position de l'image finale I de celle de l'objet O, pour permettre le balayage.

Le tableau III fournit les données constructives d'un système optique conforme à celui illustré par la fig. 5.

Tableau III

Rayon de l'anneau= 100 mm.

Surface N° de l'objet à l'image

Rayon (mm)

Distance à la surface suivante

Matériaux

0

(plan)

107.13

Air

Objet

1

-128.18

10.48

Silice fondu

2

-135.29

378.48

Air

3

-541.32

-273.56

Air

Miroir

4

-264.61

273.56

Air

Miroir

5

-541—.32

-590.28

Air

Miroir

6

-1772.58*

7.01

Silice fondu

7

(plan)

-587.26

Air

Asphérique

8

541.32

273.56

Air

Miroir

9

541.32

273.56

Air

Miroir

10

541.32

378.48

Air

Miroir

11

135.29

10.48

Silice fondu

12

128.18

107.13

Air

13

(plan)

Image

*Surface asphérique symétriquement disposée sur l'axe optique Ecart, X, par rapport à la surface plane à la distance r de l'axe:

X= - 1772.58 -t- V1772.58 — r- + 1.732xl0-8r4+4.210xl0-13r6 +8.278x10-I8r4-4.078xl0-2Ir10

Le tableau IV représente les performances des systèmes optiques à champ annulaire définis par le tableau III pour une bande spectrale large (2800Ä à 5461Ä) en termes de RMS aberrations d'ondes pour différents rayons de l'anneau. L'étendue de l'anneau utilisable est la différence entre les valeurs des rayons supérieurs et inférieurs pour lesquels la performance est appropriée à une application donnée.

625 055

Tableau IV

N.A. = 0,I7 à l'objet et à l'image

Rayon de l'anneau (mm)

Aberration d'onde RMS (unités de longeur d'onde)

Longueur d'onde (unités Angstrom)

2800

3200

3650

4000

4358

5461

103

.08

.08

.08

.08

.08

.07

102

.06

.05

.05

.05

.04

.04

100

.05

.04

.04

.03

.03

.03

98

.06

.04

.04

.04

.04

.06

97

.09

.06

.05

.05

.05

.06

96

.13

.09

.08

.07

.07

.07

La fig. 6 représente un système optique dans lequel les distances entre d'une part l'image intermédiaire et d'autre part les couples de miroirs 12d-14d et 12d'-14d' sont inférieures aux distances entre l'objet O et l'image finale I. Dans la forme de réalisation de la fig. 6, une moitié du système comporte deux miroirs sphériques 12d et 14d et un élément de ménisque 16a disposé du côté de l'image intermédiaire. Une seule plaque de correction chromatique 18b est disposée à proximité immédiate de l'image intermédiaire 22. Deux surfaces planes parallèles réfléchissantes, similaires à celles décrites en référence aux fig. 2 et 3 sont introduites entre les deux positions conjuguées O et I. de façon à ce qu'elles soient accessibles pour le balayage. De plus dans la réalisation de la fig. 6, ces deux surfaces planes sont constituées par des surfaces frontale et arrière d'une plaque parallèle plane 20d dont l'épaisseur est déterminée par des considérations mécaniques, contrairement aux arrangements des fig. 2 et 3 où d'autres considérations déterminaient la distance qui séparait les surfaces réfléchissantes. Dans cette réalisation les surfaces frontale et arrière de la plaque 20d réfléchissent respectivement l'objet O au point O' et l'image finale I au point I', ce qui permet de disposer de l'espace nécessaire au balayage.

Une autre forme de réalisation dans laquelle les plans objet et image sont croisés est représentée par la fig. 7. Dans ce dispositif la 20 plaque de correction chromatique 18b de la fig. 6 disposée à proximité immédiate de l'image intermédiaire a été remplacée par deux plaques correctrices 18e et 18e' placées du côté objet-image du système. Dans cette réalisation la plaque plane parallèle a été incurvée de façon à réaliser un élément de ménisque. Les autres 25 éléments de la fig. 7 sont identiques à ceux de la fig. 6. C'est-à-dire que l'une des moitiés comporte deux miroirs sphériques 12d et 14d et un élément de ménisque 16a disposé du côté de l'image intermédiaire, et l'autre partie du système comporte également deux miroirs sphériques 12d' et 14d' et un élément de ménisque 16a' 30 également disposé sur le côté de l'image intermédiaire. Comme décrit précédemment en référence à la fig. 6, la plaque 20d comporte des surfaces réfléchissantes avant et arrière qui permettent de réfléchir l'objet O en O' et l'image finale I en l'de façon à ce que les deux points O' et l'soient distincts et permettent d'interpo-35 ser des éléments de montage pratique.

Le tableau V fournit les données constructives d'un dispositif optique à champ annulaire conforme à la fig. 7.

Tableau V

Rayon de l'anneau = 100 mm.

Surface N»

Rayon (mm)

Distance à la surface suivante

Matériaux

Note

0

(plan)

151.33

Air

Objet

1

-726.89

28.69

Silice fondu

i

-730.32

410.82

Air

3

-552.06

-280.16

Air

Miroir

4

-276.18

280.16

Air

Miroir

5

-552.06

-363.25

Air

Miroir

6

-160.78

-24.03

Silice fondu

7

-145.19

-272.77

Air

8

145.19

-24.03

Silice fondu

y

160.78

-363.25

Air

10

552.06

280.16

Air

Miroir u

267.18

-280.16

Air

Miroir

12

552.06

410.82

Air

Miroir

13

730.32

28.69

Silice fondu

14

726.89

151.33

Air

15

(plan)

Image

Le tableau VI indique les performances du système optique à champ annulaire défini dans le tableau V pour une bande spectrale large (2800Â à 5461Ä) en termes de RMS aberrations d'ondes pour différents rayons de l'anneau. L'étendue de l'anneau utilisable est la différence entre les valeurs des rayons supérieurs et inférieurs pour lesquels la performance est adéquate pour l'application.

9

625 055

Tableau VI

N.A. = 0,17 à l'objet et à l'image

Aberration d'onde RMS (unités de longeur d'onde)

Rayon de

l'anneau (mm)

Longueur d'onde (unités Angstrom)

2800

3200

3650

4000

4358

5461

104

.08

.07

.09

.10

.10

.11

103

.06

.04

.05

.06

.07

.08

102

.05

.02

.03

.04

.05

.06

100

.03

.02

.02

.02

.03

.04

98

.07

.04

.03

.03

.02

.03

97

.10

.06

.05

.04

.04

.03

96

.14

.09

.07

.06

.06

.05

Il est à noter que dans les arrangements des fig. 7 et 5 les éléments comme fenêtres pour aligner les parties du système optique entre de ménisque réfringents 18e, 18e', 16c et 16c'peuvent être utilisés 20 elles.

R

7 feuilles dessins

Claims (25)

1. 625 055

   2

   REVENDICATIONS

   1. Dispositif optique à champ annulaire pour exposer photogra-phiquement une surface réceptrice-image à une image lumineuse d'un objet, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un miroir convexe et un miroir concave (12,14; 12', 14'; 12b, 14b; 12b', 14b'; 12d, 14d; 12e, 14e), ces miroirs étant disposés sensiblement concentri-quement par rapport à l'axe optique (SA), le dispositif optique (10, 10', 10a, 10a', 10b, 10b', 10c, 10c', 10e, 10e', lOf, lOf) étant agencé de façon à former des plans conjugués, perpendiculaires à cet axe et de façon que sa puissance soit unitaire, et au moins une paire d'éléments de ménisque (16,16', 16a, 16a', 16c, 16c') disposés sensiblement concentriquement dont les rayons convexes sont supérieurs aux rayons concaves et dont l'épaisseur est supérieure à la différence entre les rayons concaves et les rayons convexes.
2. 2. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporter une première et une seconde moitié, chacune de ces moitiés comportant l'un des miroirs convexes et l'un des miroirs concaves ainsi qu'au moins un des éléments de ménisques, et une unité optique ayant un axe et formant des plans conjugués sensiblement perpendiculaires à l'axe optique, pour lesquels l'unité optique a une puissance sensiblement unitaire, les deux moitiés étant disposées coaxialement dos à dos de façon à ce que les plans conjugués soient superposés sur au moins un des côtés du dispositif optique, y formant une image intermédiaire.
3. 3. Dispositif optique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les rayons émis à partir de la position d'un objet sont réfléchis du miroir concave sur le miroir convexe et qu'après plusieurs réflexions entre le miroir concave et le miroir convexe les rayons sont focalisés sur la position de l'image.
4. 4. Dispositif optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la lumière émise par ledit objet est réfléchie au moins deux fois sur le miroir concave et au moins une fois sur le miroir convexe.
5. 5. Dispositif optique selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les miroirs sont disposés de telle façon que l'on ait trois réflexions sur le miroir concave et deux réflexions sur le miroir convexe.
6. 6. Dispositif optique selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdits miroirs convexes et concaves sont montés de telle façon que leurs centres de courbure sont distants d'une longueur au plus égale à 2% du rayon le plus petit.
7. 7. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé par une paire d'éléments de ménisque disposés symétriquement à l'axe optique.
8. 8. Dispositif optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune de ces moitiés comporte un seul élément de ménisque disposé symétriquement aux plans conjugués superposés.
9. 9. Dispositif optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que chacune de ces moitiés comporte une paire d'éléments de ménisque disposés symétriquement à l'axe optique de chaque moitié et que chaque paire est disposée symétriquement aux plans conjugués superposés.
10. 10. Dispositif optique selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que les éléments de ménisque sont montés à des positions conjuguées de façon à minimiser leur contribution à l'astigmatisme.
11. 11. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la relation entre le rayon du champ annulaire et les caractéristiques de l'élément de ménisque concentrique est définie par les formules suivantes:

    R2 > R,

    et t > R, — R1 + (H2/2N2) ( 1 /R„ - 1/R2)

    OU' H = le rayon annulaire du système,

    R, = le rayon concave du ménisque,

    R2 = le rayon convexe du ménisque,

    t = l'épaisseur du ménisque, et N = l'indice de réfraction du ménisque.
12. 12. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif de compensation chromatique placé entre les miroirs et les dispositions objet-image.
13. 13. Dispositif optique selon la revendication 12, caractérisé en

    5 ce que le dispositif de compensation chromatique est disposé entre les miroirs et les éléments de ménisque.
14. 14. Dispositif optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites première et seconde moitiés comportent chacune un dispositif de compensation chromatique.

    io 15. Dispositif optique selon la revendication 14, caractérisé en ce que le dispositif de compensation chromatique est disposé dans chaque moitié entre la position image intermédiaire ou l'objet, respectivement l'image et les miroirs.
15. 16. Dispositif optique selon la revendication 14, caractérisé en ce

    15 que le dispositif de compensation chromatique est disposé dans chaque moitié entre les miroirs d'un côté et la position image intermédiaire, respectivement l'objet et l'image de l'autre côté.
16. 17. Dispositif optique selon la revendication 14, caractérisé par un seul dispositif de compensation chromatique disposé à la

    20 position image intermédiaire.
17. 18. Dispositif optique selon l'une des revendications 13 à 17, caractérisé en ce que le dispositif de compensation chromatique est constitué par une plaque plane parallèle.
18. 19. Dispositif optique selon l'une des revendications 13 à 17,

    25 caractérisé en ce que le dispositif de compensation chromatique est une plaque avec une surface asphérique.
19. 20. Dispositif optique selon l'une des revendications 13 à 16, caractérisé en ce que le dispositif de compensation chromatique est constitué par un ménisque.

    30 21. Dispositif optique selon l'une des revendications 18 à 20, caractérisé en ce que la plaque, respectivement le ménisque, est monté normalement par rapport à l'axe optique des miroirs.
20. 22. Dispositif optique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la distance entre l'objet ou l'image, et le miroir concave associé

    35 dans au moins une moitié diffère de la distance entre la position image intermédiaire et les miroirs concaves.
21. 23. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la distance entre l'objet, respectivement l'image, et le miroir concave associé est égale ou supérieure à la distance entre la position image

    40 intermédiaire et les miroirs concaves, et qu'un dispositif pour positionner est prévu pour décaler la distance entre la position image et la position objet de façon à rendre ces positions matériellement accessibles.
22. 24. Dispositif optique selon la revendication 23, caractérisé en ce

    45 que le dispositif pour positionner est constitué par des surfaces réfléchissantes.
23. 25. Dispositif optique selon l'une des revendications 1 à 24, caractérisé en ce que la somme algébrique des quantités obtenues en divisant la puissance de chaque surface par l'indice de réfraction est jo sensiblement nulle, l'indice de réfraction de la surface réfléchissante étant défini comme négatif.
24. 26. Dispositif optique selon les revendications 4 et 12, caractérisé par les données constructives suivantes:

    ( Tableau en tête de la page suivante )

    55
25. 27. Dispositif optique selon les revendications 2,4, 8,17 etl8, caractérisé par les données constructives suivantes:

    ( Tableau en page suivante)

    60 28. Dispositif optique selon les revendications 2,4, 8, 15 et20, caractérisé par les données constructives suivantes:

    Rayon de l'eanneau= 100 mm.

    ( Tableau en page suivante)