DE10013261A1 - Mikromechanisch herstellbarer optischer Strahlteiler - Google Patents

Abstract

Der beschriebene Strahlteiler (39) weist einen aus Silizium gefertigten Stützrahmen (40) auf, der im Innern eine aus Siliziumnitrid gebildete Membran (42) trägt. Die Membran (42) weist insbesondere Durchgangsöffnungen (43) auf, zwischen denen Stege (43') ausgebildet sind. Auf der einem einfallenden Strahl (47) zugewandten Seite der Membran (42) befindet sich eine Aluminium-Beschichtung, durch die das Reflexionsvermögen bzw. der Reflexionsgrad der Membran (42) erhöht wird. Ein einfallendes Strahlenbündel (47) trifft unter einem Einfallswinkel PHI auf den Strahlteiler (39) auf. Ein Teil (48) des einfallenden Strahls (47) wird an den Stegen (43') reflektiert, wohingegen der restliche Teil (49) des Strahls (47) frei die Durchgangsöffnungen (43) durchstrahlt. Es findet demnach eine Strahlteilung in den reflektierten Teil (48) und in den transmittierten Teil (49) statt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlteiler zur Aufspaltung eines elektromagnetischen Strahls in mindestens zwei Teilstrahlen. Im Besonderen bezieht sich die Erfindung auf solche Strahlteiler mit im wesentlichen flach ausgebildeten, die Teilung des Strahls bewirkenden Funktionselementen.

Im Bereich der eingangs genannten Strahlteiler sind bereits eine Reihe unterschiedlicher Technologien bekannt, um die genannte Aufspaltung des Strahls zu bewerkstelligen. Deren Funktion beruht dabei auf optischen Eigenschaften eines zugrunde liegenden Dielektrikums, wobei sich insbesondere Reflexionen des einfallenden Strahls an optischen Grenzflächen zu Nutze gemacht werden. Ein derartiger Strahlteiler ist in Fig. 1a gezeigt. Ein einfallender Strahl 10 fällt auf eine vordere Außenfläche 11 eines Dielektrikums 12 und wird dort teilweise reflektiert 13. Der durchgehende Strahlenteil 14 durchdringt 15 danach eine hintere Außenfläche 16 des Dielektrikums 12 und wird dabei ebenfalls wieder teil-reflektiert 17. Der teil-reflektierte Strahl 17 tritt dann zum Teil wieder aus der vorderen Aussenfläche 11 des Dielektrikums 12 heraus 18 und bildet zusammen mit dem Teilstrahl 13 ein Teilstrahlenbündel 13, 18. Es wird hervorgehoben, dass die Fig. 1a auch insofern stark vereinfacht ist, als bei Treffen des Teilstrahls 17 auf die vordere Außenfläche 11 weitere Reflexionen auftreten, die hier nicht dargestellt sind.

Anhand dieser vereinfachten Darstellungen werden bereits zwei grundlegende Probleme im Bereich der genannten Strahlteiler sichtbar. Zum einen entstehen aufgrund der gezeigten Doppelreflexion sogenannte "Geisterbilder", durch die die Strahleigenschaften des reflektierten Strahls erheblich verschlechtert werden und insbesondere zu einer Strahlaufweitung führen. Zudem führt der bei dem durchgehenden (transmittierten) Strahl auftretende Parallelversatz zu einer axialen Bildversetzung, die ebenfalls oft unerwünscht oder sogar nicht hinnehmbar ist.

Die genannten Probleme haben bereits zur Entwicklung von Strahlteilern geführt, bei denen die Dicke des Dielektrikums - in Richtung des transmittierten Strahls - möglichst dünn ausgebildet ist, um die genannten Effekte bei den Mehrfachreflexionen bzw. dem Parallelversatz des durchgehenden Strahls zu minimieren. Ein derartiger Membran-Strahlteiler ist schematisch in Fig. 1b dargestellt. Dieser Strahlteiler weist eine an einem Rahmen 20 angeordnete Membran 21 auf. Ein einfallender Strahl 22 wird an der Membran sowohl teil- transmittiert 23 als auch teil-reflektiert 24. Diese Membran-Strahlteiler 20, 21 sind so dünn ausgebildet (etwa 2 µm Nitrocellulosefilm), dass die beiden reflektierten Strahlenbündel 24 praktisch übereinander liegen, d. h. sowohl kein Strahlversatz als auch keine Strahlaufweitung (wie oben beschrieben) stattfinden. Diese Strahlteiler haben allerdings den Nachteil, dass sie für den fernen UV-Bereich nicht geeignet sind und zudem die an dünnen Membranen üblicherweise auftretenden Interferenzen sich beim Einsatz solcher Strahlteiler sehr störend auswirken.

Zudem wurden bereits Strahlteiler vorgeschlagen, bei denen die Außenflächen keilförmig ausgebildet sind und dadurch zum Ausblenden der reflektierten Teilstrahlen führen, allerdings mit dem Nachteil, dass es zu einem Knick in der optischen Achse kommt.

Der vorbeschriebene einschlägige Stand der Technik ist im Übrigen in einem Katalog der Firma ORIEL INSTRUMENTS mit dem Titel "The Book of Photon Tools", und zwar im Abschnitt "Prism & Beamsplitters, Beam Splitters Technical Discussion" offenbart. Aus diesem Katalog sind auch die Fig. 1 und 2 entnommen. Die vorgenannten Nachteile haben ferner bereits zu einer völlig unterschiedlichen Technologie geführt, die ebenfalls in dem genannten Katalog beschrieben ist. Das dort zugrundeliegende Strahlteilerprinzip soll nun anhand der in Fig. 2 gezeigten perspektivischen Ansicht (mit einer in der rechten Bildhälfte dargestellten Ausschnittvergrößerung) eines solchen Strahlteilers kurz erläutert werden. Bei diesem Strahlteiler erfolgt die Strahlteilung mittels eines auf ein Dielektrikum 30 aufgebrachten Punktmusters 31 eines hochreflektierenden Materials, und zwar in dem vorliegenden eine Aluminiumschicht. Bei diesem Strahlteiler wird ein Teil eines einfallenden Strahls an dem Punktmuster 31 reflektiert und der übrige Teil an den unbeschichteten Bereichen 32 des Dielektrikums 30 transmittiert. Durch ein Verkippen dieses Strahlteilers bezüglich der optischen Achse des einfallenden Strahls kann somit erreicht werden, dass der einfallende Strahl in einer der Fig. 1 ähnlichen Weise in Teilstrahlen aufgeteilt wird.

Sämtliche der vorbeschriebenen Strahlteilertechnologien weisen allerdings nach wie vor erhebliche Nachteile auf. Zum einen treten bei ihnen noch chromatische, sphärische und astigmatische Bildfehler und zusätzlich relativ große Reflexions- bzw. Intensitätsverluste beim Durchstrahlen eines Dielektrikums auf. So wird beim Durchgang eines Strahls durch das Dielektrikum eine zunächst unpolarisierte Strahlung aufgrund der zur Strahlteilung benötigten Einbauwinkel teilweise polarisiert. Jedoch können die genannten Nachteile durch Zusatzmaßnahmen wenigstens verringert werden. So läßt sich die Intensität der genannten Geisterbilder z. B. durch Verwendung reflexionsmindernder Schichten reduzieren und/oder durch Ausblenden störender Reflexionen sogar unterdrücken.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Strahlteiler der vorbeschriebenen Art anzugeben bzw. bereitzustellen, der die genannten Nachteile aus dem Stand der Technik bekannter Strahlteiler vermeidet.

Es sollen dabei insbesondere optische Abbildungsfehler wie die Erzeugung von Geisterbildern, der Parallelversatz zwischen einfallendem und ausfallendem Strahl sowie eine axiale Bildverschiebung bzw. Bildunschärfe möglichst wirksam vermieden werden.

Darüber hinaus sollen die an den genannten Dielektrika auftretenden Reflexions- bzw. Transmissionsverluste möglichst vermieden werden.

Zudem soll verhindert werden, dass insbesondere die reflektierten Strahlen bei bestimmten Einfallswinkeln aufgrund der Reflexion polarisiert werden und daher die ausfallenden Teilstrahlen gegenüber dem einfallenden Strahl polarisiert sind.

Überdies soll erreicht werden, dass der Strahlteiler im gesamten optischen Wellenlängenbereich einsetzbar sowie ebenso gut für den ultravioletten Bereich des Spektrums geeignet ist.

Schließlich soll der Strahlteiler gegenüber den bekannten Strahlteilern einfacher und daher kostengünstiger herstellbar sein.

Die genannten Aufgaben werden bei einem Strahlteiler der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Funktionselement entsprechend einem Punktmuster angeordnete Durchgangsöffnungen bzw. Perforationen aufweist, wobei zwischen den Durchgangsöffnungen liegende Bereiche des Funktionselementes wenigstens auf der Seite des einfallenden Strahls im Wesentlichen reflektierend und im Wesentlichen parallel ausfallende Teilstrahlen bildend ausgebildet sind.

Die Aufteilung des einfallenden Strahls erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Strahlteiler dadurch, dass sich ein Teil des einfallenden Strahls, und zwar der in Höhe der Durchgangsöffnungen auf die Membran auftreffende Teil, frei durch den Strahlteiler hindurchbewegen kann, wobei der restliche Teil des einfallenden Strahls an den zwischen den Durchgangsöffnungen liegenden Bereichen des Funktionselementes reflektiert wird. Da der transmittierte Strahlanteil ausschließlich in Luft übertragen wird und somit auf ein optisch aktives Medium wie beispielsweise ein Dielektrikum verzichtet werden kann, treten beim transmittierten Strahl keinerlei Intensitätsverluste, Polarisierung oder etwaige Abbildungsfehler auf, wie etwa bei den in der Beschreibungseinleitung beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Strahlteilern. Durch geeignete Wahl einer reflektierenden Beschichtung auf der dem einfallenden Strahl zugewandten Seite des Funktionselementes kann erreicht werden, dass der reflektierte Strahlanteil ebenfalls nahezu ohne jegliche Intensitätsverluste und ohne jegliche Polarisierung aus dem Strahlteiler austritt.

Bevorzugt ist das Funktionselement als Membrane ausgebildet, die aus einem für den jeweiligen elektromagnetischen Strahl im Wesentlichen nicht-transparenten bzw. nicht-strahldurchlässigen Material, insbesondere aus einem Halbleitermaterial, Metall oder dergleichen, hergestellt sein kann. Die Membrane mit den entsprechenden Durchgangsöffnungen kann dabei insbesondere mikromechanisch hergestellt sein, was eine Mikro-Dimensionierung der Durchgangsöffnungen, insbesondere von deren Öffnungsquerschnitten, ermöglicht, so dass der Strahlteiler in einem weiten Bereich von Strahldurchmessern einsetzbar ist. Vorteilhafterweise ermöglicht dies auch den Einsatz des Strahlteilers im Bereich der Laseroptik. Um dabei zu erreichen, dass die Strahlquerschnittsfläche des einfallenden Strahls ausreichend viele Durchgangsöffnungen abdeckt, um ein festes und vorgebbares Teilerverhältnis zu garantieren, kann vorgesehen sein, dass der mittlere Abstand zwischen jeweils zwei Durchgangsöffnungen um wenigstens einen Faktor 2 bis 5 kleiner ist als der Durchmesser des einfallenden Strahls ist.

Das Funktionselement weist im Bereich der Durchgangsöffnungen bevorzugt eine Dicke von etwa 1-100 µm auf. Das jeweils anzuwendende mikromechanische Herstellungsverfahren richtet sich dabei nach dem jeweiligen Ausgangsmaterial, d. h. im Falle von Halbleitermaterial vorzugsweise mittels fotolithographischer Ätztechniken oder lasergestütztem Ätzen, sowie im Falle von Metall durch mechanisches oder chemisches Abdünnen eines Metallbleches bzw einer Metallfolie und anschließendes Bohren, insbesondere Mikrobohren, des so hergestellten Metallbleches bzw. der Metallfolie zur Ausbildung der Durchgangsöffnungen.

Zum Bereitstellen des reflektierenden Verhaltens des Funktionselementes wenigstens auf der Seite des einfallenden Strahls kann hierzu auf dieser Seite des Elementes eine reflektierende Schicht aufgebracht werden oder alternativ diese Seite des Elementes poliert, insbesondere elektrochemisch poliert werden.

Hinsichtlich der Anordnung der Durchgangsöffnungen in der Ebene des Funktionselementes können diese zum einen als gleichmäßig verteiltes Punktmuster ausgebildet sein, wobei grundsätzlich alle denkbaren Punktverteilungen, beispielsweise eine rechtwinklige, schiefwinklige oder eine solche mit optimierter Ausnutzung der Fläche des Funktionselementes (z. B. in Form einer dichtesten Kugelpackung), vorgesehen sein. Gemäß einer Anordnungsvariante kann das Punktmuster eine in wenigstens einer Raumrichtung nicht-gleichmäßige Punktverteilung aufweisen, wodurch erreicht werden kann, dass der Strahlteiler in Bereiche mit unterschiedlichem Strahlteilungsverhältnis segmentierbar ist. Alternativ kann diese Art der Segmentierung auch durch Ausbilden von Bereichen unterschiedlicher Öffnungsquerschnitte der Durchgangsöffnungen erreicht werden.

Beim Einsatz eines erfindungsgemäßen Strahlteilers in einer optischen Meßanordnung wird dieser in Bezug auf die durch den einfallenden Strahl gebildete optische Achse bevorzugt verdreht bzw. verkippt angeordnet, um zu erreichen, dass der reflektierte Strahl nicht mit dem einfallenden Strahl koinzidiert bzw. kollidiert. Um einem vom jeweiligen Drehwinkel abhängigen Strahlteilungsverhältnis wirksam vorzubeugen, kann das Funktionselement ferner so ausgebildet sein, dass dessen Dicke im Bereich der Durchgangsöffnungen, in Relation zum Öffnungsquerschnitt der Durchgangsöffnungen, vorzugsweise ein Verhältnis möglichst kleiner als 1 aufweist. Je größer dieses Verhältnis ist, umso geringer ist nämlich die Ausbeute des transmittierten Strahls, und zwar unabhängig von dem Drehwinkel des Strahlteilers, da die Ausbeute dann im Wesentlichen nur noch durch an Innenkanten der Durchgangsöffnungen etwa zusätzlich auftretende Reflexionen beeinflusst werden kann.

Die Durchgangsöffnungen sind bevorzugt quadratisch oder rund ausgebildet, wobei sich die räumliche Ausgestaltung der Durchgangsöffnungen hauptsächlich nach dem jeweiligen Herstellungsverfahren richtet, d. h. im Falle einer chemischen Ätzung von Halbleitermaterial im Wesentlichen entlang der Kristallachsen quadratisch ausgebildet ist oder im Falle einer Mikrobohrung von Metallfolie rund ausgebildet sind.

Aufgrund der relativ geringen Dicke des Funktionselementes im Bereich der Durchgangsöffnungen kann das Funktionselement an seinem Rand durch ein Stützelement getragen sein, um die mechanische Stabilität des Funktionselementes insgesamt zu erhöhen. Das Stützelement ist dabei bevorzugt als Materialwulst(-verdickung) des Ausgangsmaterials gebildet, d. h. beispielsweise im Falle von Halbleitermaterial durch entsprechendes anisotropes Ätzen mittels fotolithographischer Maskentechnik gebildet. Im Falle einer Metallfolie als Ausgangsmaterial kann das Stützelement hingegen durch Verhindern einer Ausdünnung der Metallfolie im Randbereich erzeugt werden, und zwar mittels einer geeigneten, beim chemischem Ausdünnen der Metallfolie angewendeten Maskentechnik.

Schließlich kann das Funktionselement, im Falle eines Halbleitermaterials, vorteilhaft durch Anordnung einer Anzahl von Funktionselementen auf einem Waver hergestellt werden. Dies ermöglicht eine Massenproduktion des erfindungsgemäßen Strahlteilers ähnlich der Herstellung von Halbleiterchips in der Mikroelektronik.

Die Erfindung wird im Folgenden weiter unter Heranziehung von Zeichnungen erläutert, wobei sich gleiche Referenzzeichen auf funktional gleiche oder ähnliche Merkmale beziehen.

Fig. 1a, b zeigen schematisierte Strahlwege zweier Ausführungsformen eines aus dem Stand der Technik bekannten Strahlteilers;

Fig. 2 zeigt in größerem Detail und entsprechender Ausschnittvergrößerung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Strahlteilers gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 3a, b zeigen zwei orthogonale Ansichten einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlteilers;

Fig. 4a, b zeigen zwei alternative Ausführungsformen mit jeweils unterschiedlichem Durchgangsöffnungsquerschnitt gemäß der Erfindung;

Fig. 5a, b zeigen zwei alternative Ausführungsformen mit unterschiedlichem Punktraster und kreisförmiger Ausgestaltung der Durchgangsöffnungen gemäß der Erfindung; sowie

Fig. 6 zeigt eine typische optische Messanordnung enthaltend einen erfindungsgemäßen Strahlteiler.

Die Fig. 1 und 2 wurden bereits im Zusammenhang mit der in der Beschreibungseinleitung enthaltenen Würdigung des Standes der Technik näher beschrieben.

Fig. 3a ist eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlteilers 39. Der Strahlteiler 39 weist einen aus Silizium gefertigten Stützrahmen 40 mit einer auf der gegenüberliegenden Seite eines einfallenden Strahls (Strahlrichtung in Pfeilrichtung 'A') hin gebildeten Abschrägung 41 auf. Der Stützrahmen ist quadratisch ausgebildet und hat eine Kantenlänge von etwa 10-20 mm. Die Dicke des Stützrahmens 40 beträgt etwa 0.5 mm. Eine durch die Abschrägung 41 gebildete Ausnehmung 41' endet auf der dem einfallenden Strahl A zugewandten Seite des Strahlteilers in eine Membran 42, die aus Siliziumnitrid gebildet ist. Das Siliziumnitrid dient, wie nachfolgend noch beschrieben wird, als Maske bei der Herstellung der gezeigten Strukturen des Strahlteilers, insbesondere bei einem rein mikromechanisch hergestellten Strahlteiler. Die Membran 42 weist insbesondere Durchgangsöffnungen 43 auf, zwischen denen Stege 43' ausgebildet sind. Eine entsprechende Siliziumnitridschicht 46 befindet sich zudem auf der dem einfallenden Strahl abgewandten Seite A des Strahlteilers. Zwischen dem Siliziumsubstrat 40 und den beiden Siliziumnitridschichten 42, 46 befinden sich jeweils noch Siliziumdioxidschichten 44, 45. Auf der dem einfallenden Strahl 47 zugewandten Siliziumdioxidschicht 45 befindet sich zusätzlich eine Aluminium- Beschichtung, durch die das Reflexionsvermögen bzw. der Reflexionsgrad der Membran 42 erhöht wird und damit das Verhältnis von reflektiertem zu transmittiertem Strahl besser vorhersagbar ist.

Es sei nun angenommen, dass ein einfallendes Strahlenbündel 47 (es kann sich dabei um eine Lichtstrahl oder einen elektromagnetischen Strahl beliebiger Wellenlänge handeln) unter einem Einfallswinkel ϕ auf den Strahlteiler 39 auftrifft. Ein Teil 48 des einfallenden Strahls 47 wird an den Stegen 43' reflektiert, wohingegen der restliche Teil 49 des Strahls 47 frei durch die Durchgangsöffnungen 43 hindurch transmittiert wird. Es findet demnach eine Strahlteilung in den reflektierten Teil 48 und in den transmittierten Teil 49 statt.

Fig. 3b zeigt nun eine entsprechende Draufsicht des in Fig. 3a gezeigten Strahlteilers 39, und zwar entgegen der Blickrichtung des einfallenden Strahls A. An der Oberfläche des Stützrahmens 40 sind in der gezeigten Ansicht die Siliziumnitridschicht 46 sowie die Abschrägung 41 zu ersehen. Ferner sind in dieser Darstellung die Durchgangsöffnungen 43 und die entsprechenden Stege 43' gut sichtbar. Die Durchgangsöffnungen 43 sind quadratisch ausgebildet, was in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel durch den nachfolgend beschriebenen Herstellungsprozess bedingt ist. Die Durchgangsöffnungen können, je nach Herstellungsverfahren, in einer Vielzahl von geometrischen Formen ausgebildet sein, wie nachfolgend noch eingehend beschrieben wird.

Hinsichtlich der Herstellung des erfindungsgemäßen Strahlteilers wird in einem Wafer aus Silizium oder einem anderen geeigneten Halbleitermaterial zunächst durch anisotropes Ätzen eine Membran erzeugt, welche in einem weiteren Arbeitsgang entsprechend dem gewünschten Teilverhältnis strukturiert wird. Das Silizium bildet den mechanischen Rahmen des Strahlteilers. Bei Bedarf kann der Siliziumchip in eine weitere Fassung, z. B. einen Metall- oder Kunststoffrahmen, eingebettet werden. Der Silizumwafer wird beidseitig mit Siliziumdioxid und Siliziumnitrid beschichtet. Die notwendigen photolithographischen Schritte zur Definition des Rahmens und der Durchgangsöffnungen finden vor dem großen Ätzangriff auf das Silizium ebenfalls auf beiden Seiten des Wafers statt. Auf der Vorderseite wird die Siliziumnitridmaske und auf der Rückseite die Siliziumdioxid und eine Siliziumnitridmaske zur Bildung der Durchgangsöffnungen geöffnet bzw. perforiert. Im Anschluss wird mittels anisotroper Ätztechnik(en) das Silizium weggeräumt, bis eine dünne Membranschicht übrig bleibt. In der Folge wird der SiO₂-Anteil der Membran vollständig weggeätzt. Übrig bleibt ein Gitter aus Siliziumnitrid, welches von der Vorderseite mit Aluminium metallisiert wird. Im Anschluss daran werden dann die Strahlteilerchips in einem Sägeprozess vereinzelt und bei Bedarf eingefasst. Die Membran besteht entweder nur aus SiO₂ oder nur aus Si₃N₄. Alternativ wird die Membran aus hochdotiertem Silizium gebildet oder aus Kombinationen aus den genannten Schichten. Der Herstellungsprozess kann in bekannter Weise vielfältig variiert werden.

Anhand der Fig. 4a und 4b soll nun gezeigt werden, wie das Strahlteilungsverhältnis zwischen reflektiertem und transmittiertem Strahl allein aufgrund der Abmessungen des Strahlteilers einstellbar ist und welche geometrischen Randbedingungen dabei zu berücksichtigen sind. Die Figuren zeigen eine vergrößerte seitliche Schnittansicht eines Membranausschnittes mit Stegen 50 und Durchgangsöffnungen 51.

Die in Fig. 4a gezeigte, die tatsächlichen Abmessungen nur sehr schematisch wiedergebende Darstellung einer Ausführungsform der Membran zeichnet sich gegenüber der in Fig. 4b gezeigten Membran zunächst durch eine geringere Membrandicke 52 aus. Im Idealfall ist die Membrandicke 52 dabei wesentlich geringer als die Lateralabmessungen der Durchgangsöffnungen 53 sowie der Stege 54. Die geringere Dicke hat den Vorteil, dass ein einfallendes Strahlenbündel 55 beim Durchgang durch die Durchgangsöffnungen 51 nur relativ gering an der Innenseite der jeweilgen Durchgangsöffnungen reflektiert wird und somit die Intensität des transmittierten Teilstrahls 56 wesentlich größer ist als die Intensität des reflektiert-transmittierten Teilstrahls 56'. Das Strahlteilungsverhältnis zwischen dem transmittierten Teilstrahl 56 und dem reflektierten Teilstrahl 57, d. h. das jeweilige Verhältnis der Intensitäten dieser Teilstrahlen, ist in dem Beispiel wesentlich kleiner als 1, da der Durchgangsöffnungsquerschnitt 53 entsprechend kleiner ist als die Breite 54 bzw. die Fläche der Stege 50.

Bei der in Fig. 4b ebenfalls nur schematisch wiedergegebenen Ausführungsform der Membran ist nun die Membrandicke 58 wesentlich größer als die Stegbreite 60, was beispielsweise herstellungsbedingt oder durch das jeweils verwendete Membranmaterial gegeben sein kann. Die Membrandicke kann, entgegen dem gezeigten Beispiel, sogar wesentlich größer sein als der Durchgangsöffnungsquerschnitt 59. Ein einfallendes Strahlenbündel 61 teilt sich wiederum in einen transmittierten Strahlenteil 62 und in einen reflektierten Strahlenteil 63 auf. Aufgrund der größeren Membrandicke 58 kommt es hier, gegenüber zur Ausführung gemäß Fig. 4a, vermehrt zu Reflexionen 64, allerdings führen diese Reflexionen die entsprechenden Teilstrahlen 64 meist aus der optischen Achse heraus und wirken sich daher in den meisten Fällen nicht störend aus. Im Gegenteil können diese reflektiert-transmittierten Teilstrahlen 64 sogar gezielt zu einer dreifachen Strahlteilung ausgenutzt werden.

Fig. 5a, b zeigen schematisch Membranausschnitte in Draufsicht zweier alternativer Ausführungsformen mit unterschiedlichem Punktraster und kreisförmiger Ausgestaltung der Durchgangsöffnungen. Fig. 5a zeigt einen Membranausschnitt 70 mit einer kubisch angelegten Rasteranordnung mit Durchgangsöffnungsquerschnitten 71 und Abständen 72 zwischen den Durchgangsöffnungen. Der in Fig. 5b gezeigte Membranausschnitt 73 weist dagegen eine hexagonale Anordnung der Durchgangsöffnungen mit jeweiligen Abständen 75 und Stegbreiten 75. Der Vorteil einer dichtestens Packung der Durchgangsöffnungen gemäß Fig. 5b gegenüber der kubischen Anordnung gemäß Fig. 5a liegt darin, dass der Transmissionsanteil gegenüber dem Reflexionsanteil trotz einer stabilen Auslegung der Zwischenstege 76 erheblich verbessert werden kann.

In Fig. 6 ist schließlich eine optische Messanordnung 80 enthaltend einen erfindungsgemäßen Strahlteiler schematisch dargestellt. Die Messanordnung 80 weist eine Streulinse 81 auf, mittels der ein einfallender Strahl 82, beispielsweise ein Laserstrahl, so aufgeweitet 83 wird, dass er auf einen erfindungsgemäßen Strahlteiler bzw. seine Membran 84 möglichst flächenabdeckend auftrifft. Der Strahlteiler 84 ist gegenüber der Orthogonalen zur optischen Achse unter einem Winkel ϕ 85 angeordnet. Das einfallende Strahlenbündel 83 wird in einen transmittierten Strahlenteil 86 und einen reflektierten Strahlenteil 87 aufgeteilt, wobei der Reflexionswinkel ϑ 88 im Wesentlichen durch den Kippwinkel ϕ 85 bestimmt ist.

Claims (23)

1. Strahlteiler zur Aufspaltung eines einfallenden elektromagnetischen Strahls in mindestens zwei ausfallende Teilstrahlen mittels eines strahlaufteilenden, insbesondere flach ausgebildeten Funktionselementes, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement entsprechend einem Punktmuster angeordnete Durchgangsöffnungen aufweist, wobei zwischen den Durchgangsöffnungen liegende Bereiche des Funktionselementes wenigstens auf der Seite des einfallenden Strahls im Wesentlichen reflektierend und im Wesentlichen parallel ausfallende Teilstrahlen bildend ausgebildet sind.

2. Strahlteiler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement als insbesondere mikromechanisch hergestellte Membran ausgebildet ist.

3. Strahlteiler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement aus im Wesentlichen nicht-transparentem Material, insbesondere aus Halbleitermaterial, Metall, oder dergleichen hergestellt ist.

4. Strahlteiler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement aus Metallfolie hergestellt ist.

5. Strahlteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Punktmuster als im Wesentlichen gleichmäßig angeordnetes oder als wenigstens in einer Raumrichtung eine nicht-gleichmäßige, insbesondere wenigstens eine Stufe aufweisende, stufenförmig sich ändernde Punktverteilung aufweisendes Punktraster ausgebildet ist.

6. Strahlteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungsquerschnitte der Durchgangsöffnungen wenigstens in einer Raumrichtung unterschiedlich ausgebildet sind.

7. Strahlteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement wenigstens im Bereich der Durchgangsöffnungen eine Dicke von etwa 1 bis 100 µm aufweist.

8. Strahlteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement ein möglichst kleines Verhältnis von Dicke des Funktionselementes zu Öffnungsquerschnitt der Durchgangsöffnungen, insbesondere ein Verhältnis kleiner als 1, aufweist.

9. Strahlteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Abstand zwischen jeweils zwei Durchgangsöffnungen um wenigstens einen Faktor 2 bis 5 kleiner ist als der Durchmesser des einfallenden Strahls.

10. Strahlteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen im Wesentlichen quadratisch oder rund ausgebildet sind.

11. Strahlteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement wenigstens auf der Seite des einfallenden Strahls ein Materialschicht mit möglichst großem Reflexionskoeffizienten, insbesondere einen Metallfilm, aufweist.

12. Strahlteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement einen vorzugsweise in seinem Außenbereich angeordnetes Stützelement, insbesondere ein aus dem Material des Funktionselementes selbst gebildeten Stützrahmen, aufweist.

13. Strahlteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement mindestens zwei Bereiche mit unterschiedlichem Punktmuster und/oder unterschiedlicher Verteilung der Öffnungsquerschnitte der Durchgangsöffnungen aufweist.

14. Strahlteiler nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlteilungsverhältnis durch Veränderung des Winkels der Flächenebene des Funktionselementes gegenüber dem Einfallswinkel des Strahls einstellbar ist.

15. Verfahren zur Herstellung eines Strahlteilers zur Aufspaltung eines einfallenden elektromagnetischen Strahls in mindestens zwei ausfallende Teilstrahlen mittels eines strahlaufteilenden, insbesondere flach ausgebildeten Funktionselementes, insbesondere zur Herstellung eines Strahlteilers nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch die Schritte:
Bereitstellen eines für den Strahl im Wesentlichen nicht-transparenten bzw. reflektierenden und im Wesentlichen flach ausgebildeten Trägers,
Strukturieren des Trägers mit entsprechend einem Punktmuster angeordneten Durchgangsöffnungen.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement mikromechanisch hergestellt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionselement mittels fotolithografisch-chemischem, insbesondere anisotropem Ätzen, oder mittels lasergestütztem Ätzen hergestellt wird.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüch 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägermaterial ein keramischer Werkstoff, insbesondere Silizium, oberflächlich oxidiertes Silizium, Siliziumnitrid, hochdotiertes Silizium, oder dergleichen, oder ein metallischer Werkstoff, insbesondere abgedünntes Metallblech, verwendet wird.

19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchgangsöffnungen des Funktionselementes mittels Bohren, insbesondere lasergestütztem Mikrobohren, hergestellt wird.

20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Träger, wenigstens auf der Seite des einfallenden Strahls, eine im Wesentlichen reflektierende Schicht aufgebracht wird.

21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger, wenigstens auf der Seite des einfallenden Strahls, insbesondere elektrochemisch poliert wird.

22. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlteilungsverhältnis zwischen transmittiertem und reflektiertem Strahl durch geeignete Abstimmung der Träger- bzw. Membrandicke sowie geeignete Anordnung bzw. Dimensionierung der Durchgangsöffnungen eingestellt wird.

23. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Funktionselemente auf einem Träger, insbesondere einem Wafer, hergestellt werden.