DE102004011468A1

DE102004011468A1 - Beleuchtungsanordnung

Info

Publication number: DE102004011468A1
Application number: DE200410011468
Authority: DE
Inventors: Susanne Dr. Hollemann; Hans-Jürgen DOBSCHAL; Lars Dr. Erdmann; Reinhard Dipl.-Phys. Steiner; Thomas Dr. Engel
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH; Carl Zeiss SMS GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMS GmbH; Jenoptik AG
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2005-09-29
Also published as: WO2005091051A1

Abstract

Es wird bereitgestellt eine Beleuchtungsanordnung mit einem Kohärenzminderer (1), der einem zugeführten kohärenten Strahlenbündel (12) unterschiedliche Phasenverschiebungen in Abhängigkeit von der Position im Strahlquerschnitt einprägt und als Beleuchtungsstrahlenbündel (13) abgibt, einer dem Kohärenzminderer (1) nachgeordneten Aufteilungseinrichtung (4), die eine erste Optik (5) mit einer Vielzahl von Optikelementen (10), die rasterartig angeordnet sind, aufweist, und einer der Aufteilungseinrichtung (4) nachgeordneten Abbildungsoptik (7), wobei das Beleuchtungsstrahlenbündel (13) auf die Aufteilungseinrichtung (4) trifft, die das Beleuchtungsstrahlenbündel (13) in eine Vielzahl von Strahlen (M1, M2, M3, M4, M5, M1', M2', M3', M4', M5') aufteilt, die von der Abbildungsoptik (7) zur Beleuchtung eines Objektfeldes (16) eingesetzt werden können, wobei die Aufteilungseinheit (4) eine zweite Optik (6) mit mindestens einem diffraktiven Element (11) und/oder einem doppelbrechenden Element (20) umfaßt, so daß ein Teilstrahl (S1, S2, S3, S4, S5) des Beleuchtungsstrahlenbündels (13), der durch das zumindest eine Element (20) und die erste Optik (5) läuft, in mindestens zwei Strahlen (M1-M5; M1'-M5') aufgeteilt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanordnung mit einem Kohärenzminderer, der einem zugeführten kohärenten Strahlenbündel unterschiedliche Phasenverschiebungen in Abhängigkeit von der Position im Strahlquerschnitt einprägt und als Beleuchtungsstrahlenbündel abgibt, einer dem Kohärenzminderer nachgeordneten Aufteilungseinrichtung, die eine erste Optik mit einer Vielzahl von Optikelementen, die rasterartig angeordnet sind, aufweist, und einer der Aufteilungseinrichtung nachgeordneten Abbildungsoptik, wobei das Beleuchtungsstrahlenbündel auf die Aufteilungseinrichtung trifft, die das Beleuchtungsstrahlenbündel in eine Vielzahl von Strahlen aufteilt, die von der Abbildungsoptik zur Beleuchtung eines Objektfelds eingesetzt werden können.
Eine solche Beleuchtungsanordnung wird häufig als Mikroskopbeleuchtung verwendet, wobei der Kohärenzminderer dazu dient, die Kohärenz des Strahlenbündels soweit zu verringern, daß unerwünschte Interferenzerscheinungen und Speckle im Objektfeld minimiert werden.
Eine Beleuchtungsanordnung der eingangs genannten Art ist beispielsweise in der WO 03/029875 A2 beschrieben. Jedoch ist bei dieser Anordnung nachteilig, daß die Anzahl der von der Aufteilungseinrichtung abgegebenen Strahlen der Anzahl der Optikelemente der ersten Optik entspricht und dadurch durch die Anzahl der ersten Optikelemente begrenzt ist. Wenn die Strahlen der ersten Optik in einer Pupillenebene fokussiert werden, ist somit die Füllung der Pupille durch die Anzahl der Optikelemente begrenzt.
In der WO 03/029875 A2 ist ferner beschrieben, daß der ersten Optik eine Strahlvervielfachungseinrichtung vorgeordnet sein kann, die das zugeführte kohärente Strahlenbündel in mehrere Teilstrahlen aufteilt und diese danach zu einem Strahlenbündel zusammenführt, in dem die Teilstrahlen divergieren. Diese Strahlvervielfachungseinrichtung ist als Michelson-Interferometer ausgebildet, bei dem zumindest ein Endspiegel so angeordnet ist, daß der entsprechende Teilstrahl unter einem Einfallswinkel von ungleich 0° auf den Endspiegel trifft.
Eine solche Strahlvervielfachungseinrichtung ist jedoch relativ aufwendig zu justieren und weist große Abmessungen auf.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, die Beleuchtungsanordnung der eingangs genannten Art so weiter zu bilden, daß die Anzahl der von der Aufteilungseinrichtung abgegebenen Strahlen mit möglichst geringem Aufwand erhöht werden kann.
Die Aufgabe wird bei einer Beleuchtungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Aufteilungseinheit eine zweite Optik mit mindestens einem diffraktivem Element und/oder einem doppelbrechenden Element aufweist, so daß ein Teilstrahl des Beleuchtungsstrahlenbündels, der durch das zumindest eine diffraktive und/oder doppelbrechende Element und die erste Optik läuft, in mindestens zwei Strahlen aufgeteilt ist. Somit kann leicht eine Verdoppelung der Strahlen erreicht werden, ohne daß die Anzahl der Optikelemente erhöht werden muß. Damit läßt sich auf einfache Art die Pupillenfüllung verdoppeln.
Bevorzugt wird beim Durchgang des Teilstrahls durch das diffraktive Element die nullte und zumindest eine nicht nullte bzw. weitere (z.B. die + 1-te, – 1-te, ...) Beugungsordnung genutzt. Das diffraktive Element kann so ausgelegt sein, daß die Intensität der nullten und der zumindest einen nicht nullten Beugungsordnung gleich ist.
Wenn das doppelbrechende Element verwendet wird, erfolgt bei unpolarisiertem Beleuchtungsstrahlenbündel quasi automatisch eine Intensitätsteilung von 1:1 zwischen dem ordentlichen und außerordentlichen Strahl, die beim Durchgang durch das doppelbrechende Element erzeugt werden.
Das diffraktive Element kann regelmäßig angeordnete Strukturen aufweisen und beispielsweise als Liniengitter ausgebildet sein. Alternativ ist es auch möglich, daß das diffraktive Element als Streuscheibe mit statistisch unregelmäßig angeordneten Strukturen ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Streuscheibe unregelmäßig angeordnete Körnchen bzw. Granulate enthalten, wobei der Größenbereich der Körnchen bzw. Granulate so gewählt ist, daß die gewünschten Beugungswinkel eingestellt sind.
Ferner ist es möglich, daß sich das eine diffraktive Element über den gesamten Strahlquerschnitt des Beleuchtungsstrahlenbündels erstreckt und mehrere in Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungsstrahlenbündels hintereinander angeordnete Gitter aufweist. Dabei kann es sich beispielsweise um Strichgitter handeln, die zueinander verdreht angeordnet sind. Bei einer solchen Ausbildung läßt sich in einfacher Art die nullte Beugungsordnung so abschwächen, daß die Intensität in etwa der Intensität der ersten Beugungsordnung entspricht. Dies ist von Vorteil bei einer möglichst homogenen Ausleuchtung des Objektfeldes.
Bei dem diffraktiven Element kann es sich um ein zwei- oder dreidimensionales Gitter handeln.
Insbesondere ist die Aufteilungseinrichtung so ausgebildet, daß sie die Strahlen zwischen der Aufteilungseinrichtung und der Abbildungsoptik (bevorzugt in einer Ebene) nebeneinander fokussiert. Damit kann leicht eine gewünschte Pupillenfüllung erreicht werden, da die einzelnen Strahlen nebeneinander und nicht auf demselben Punkt fokussiert werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung die zweite Optik mehrere diffraktive Elemente umfaßt, von denen sich zumindest zwei Elemente durch eine ihre diffraktive Wirkung beeinflussende Eigenschaft unterscheiden. Eine solche Eigenschaft ist beispielsweise die Ausrichtung des diffraktiven Elements, seine Gitterperiode, seine Furchenform. Auch die Ausbildung als zwei- oder dreidimensionales Gitter ist eine die diffraktive Wirkung beeinflussende Eigenschaft. Da die unterschiedlichen Strahlen, die von einem diffraktiven Element stammen, in der Regel noch miteinander interferieren und somit unerwünschte Interferenzeffekte in dem Objektfeld erzeugen können, wird durch die unterschiedlich Ausbildung der diffraktiven Elemente vorteilhaft erreicht, daß sich diese Interferenzen im Objektfeld gegenseitig abschwächen bzw. minimieren oder kompensieren.
Unter einem kohärenten Strahlenbündel wird hier ein Strahlenbündel verstanden, das eine endliche zeitliche Kohärenzlänge aufweist und das räumlich bzw. lateral (also im Strahlquerschnitt) teilweise oder vollkommen kohärent ist.
Die Optikelemente der ersten Optik und die diffrakten und/oder doppelbrechenden Elemente der zweiten Optik sind bevorzugt jeweils matrix- bzw. rasterartig in einer Ebene angeordnet. Daher können die beiden Optiken leicht quer zur Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungsstrahlenbündels angeordnet werden, so daß die Optikelemente einerseits und die diffraktiven und/oder doppelbrechenden Elemente anderseits jeweils gleichzeitig von einer ebenen Wellenfront getroffen werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung die zweite Optik für jedes Optikelement ein zugeordnetes diffraktives und/oder doppelbrechendes Element aufweist. Somit kann eine 1:1-Zuordnung von diffraktivem und/oder doppelbrechendem Element zu Optikelement oder auch eine n:1-Zuordnung (n ist eine natürliche Zahl größer als 1) verwirklicht werden. Damit läßt sich leicht zumindest eine Verdoppelung der die Aufteilungseinrichtung verlassenen Strahlen erreichen.
Insbesondere kann bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung die zweite Optik zwischen dem Kohärenzminderer und der ersten Optik angeordnet sein. Dies ist eine (besonders) bevorzugte Anordnung der beiden Optiken zueinander, da in diesem Fall das oder die diffraktiven Elemente leicht so entworfen werden können, daß zumindest die nullte und erste Beugungsordnung auf das zugeordnete Element der ersten Optik trifft.
Ferner ist es besonders bevorzugt, wenn die erste und zweite Optik als ein integrales Bauteil verwirklicht sind. In diesem Fall sind keine Justierungen der beiden Optiken zueinander notwendig und die Beleuchtungsordnung kann leicht und schnell gebaut werden. Die diffraktiven Elemente können auf der Vorder- und/oder Rückseite der Mikrolinsen, in Strahlausbreitungsausrichtung gesehen, ausgebildet sein.
Bei der Beleuchtungsanordnung kann das bzw. die Elemente der zweiten Optik den durch sie laufenden Teilstrahl des Beleuchtungsstrahlenbündels in mindestens zwei zueinander divergierende Strahlen aufteilen. Wenn die zweite Optik der ersten Optik vorgeordnet ist, führt dies dazu, daß die divergierenden Strahlen an unterschiedlichen Orten in der Pupillenebene fokussiert werden, wodurch die gewünschte Pupillenfüllung erreicht wird.
Bevorzugt ist es bei erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnungen, wenn das doppelbrechende Element den oder die durchlaufenden Teilstrahlen des Beleuchtungsstrahlenbündels jeweils in zwei Teilstrahlen aufteilt, die senkrecht zueinander polarisiert sind. Bei den beiden Teilstrahlen handelt es sich um den ordentlichen und außerordentlichen Strahl der Doppelbrechung. Durch die unterschiedliche Polarisation der beiden Teilstrahlen wird vorteilhaft erreicht, daß diese beiden Teilstrahlen nicht miteinander interferenzfähig sind, so daß eine homogene Ausleuchtung des Objektfeldes möglich ist.
Ferner kann sich das diffraktive Element und/oder das doppelbrechende Element über den gesamten Strahlquerschnitt des Beleuchtungsstrahlenbündels erstrecken. Damit kann mit einer sehr geringen Anzahl von Elementen, bevorzugt mit nur einem einzigen diffraktiven oder doppelbrechenden Element, die gewünschte höhere Pupillenfüllung erreicht werden.
Ferner ist es bevorzugt, die zweite Optik derart auszubilden, daß die mindestens zwei Strahlen, in die der Teilstrahl des Beleuchtungsstrahlenbündels aufgeteilt wird, gleiche Intensitäten aufweisen. Dies ermöglicht wiederum eine sehr homogene Ausleuchtung des Objektfeldes.
Ferner ist es möglich, mehrere diffraktive und/oder doppelbrechende Elemente hintereinander anzuordnen, so daß die Anzahl der Strahlen, in das jeder Teilstrahl des Beleuchtungsstrahlenbündels aufgeteilt wird, weiter erhöht werden kann. Die Elemente werden dabei so ausgebildet und hintereinander angeordnet, daß die einzelnen ausgeteilten Strahlen eines Teilstrahls des Beleuchtungsstrahlenbündels untereinander divergieren.
Insbesondere kann der Kohärenzminderer einen Stufenspiegel aufweisen, dessen benachbarte Spiegelteilflächen zumindest um die halbe zeitliche Kohärenzlänge des zugeführten Strahlenbündels versetzt sind. Dies läßt sich besonders gut bei sogenannter partiell kohärenter Strahlung realisieren, wie sie insbesondere von Multimode-Lasern (z.B. Excimer-Laser) abgegeben wird, da das partiell kohärente Strahlenbündel eine relativ geringe zeitliche Kohärenzlänge (Kohärenzlänge in Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels) aufweist. So gibt beispielsweise ein Argon-Fluorid-Excimer-Laser ein Strahlenbündel mit einer Wellenlänge von etwa 193 nm und einer zeitlichen Kohärenzlänge von ca. 100 μm ab.
Unter der zeitlichen Kohärenzlänge wird ein Minimum (bevorzugt das erste Minimum) der zeitlichen Kohärenzfunktion verstanden. Somit ist der Interferenzkontrast bei Überlagerung von zwei Strahlen, die eine Phasenverschiebung um die zeitliche Kohärenzlänge aufweisen, minimal bzw. effektiv minimiert.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung kann überall dort eingesetzt werden, wo ein Feld (möglichst) homogen ausgeleuchtet werden soll. Dies kann beispielsweise in der Mikroskopie, bei Steppern in der Halbleiterfertigung oder auch bei der Materialbearbeitung der Fall sein.
Die Beleuchtungsanordnung kann eine Strahlungsquelle aufweisen, die die kohärente oder partiell kohärente Strahlung abgibt. Diese Strahlungsquelle kann ein Laser oder auch ein Excimer-Laser (beispielsweise Krypton-Fluorid, Argon-Fluorid- oder Fluorid-Excimer-Laser) sein.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung;
2 ein Mikrolinsenarray in Draufsicht;
3 eine Optik mit diffraktiven Elementen in Draufsicht;
4 eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung von 1, und
5 eine zweite Ausführungsform der zweiten Optik.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung einen Kohärenzminderer 1, der einen Stufenspiegel 2 und eine dem Stufenspiegel 2 nachgeordnete 4f-Abbildungsoptik 3 aufweist, eine Aufteilungseinrichtung 4 mit einer ersten und einer zweiten Optik 5, 6 sowie eine der Aufteilungseinrichtung 4 nachgeordnete Kondensoroptik 7.
Der Stufenspiegel 2 ist aus einer Vielzahl von aufeinander gestapelten planparallelen Platten 8 (verspiegelte Quarzplatten) gebildet, wobei jeweils die Stirnseite 8' der oberen Platte 8 gegenüber der Stirnseite der direkt darunter liegenden Platte 8 derart zurückgesetzt ist, daß eine Stufe gebildet ist. Die freiliegende Oberfläche der unteren Platte bildet dann eine Spiegelteilfläche 9 des Stufenspiegels 2. Der Stufenspiegel weist so viele Stufen (bzw. so viele Spiegelteilflächen 9) auf, wie das Mikrolinsenarray 5 Mikrolinsen 10 der Zeichenebene von 1 umfaßt. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform sind beispielhaft nur fünf Stufen und fünf Mikrolinsen 10 dargestellt.
Die Mikrolinsen 10 des Mikrolinsenarrays 5 liegen in einer Ebene und sind in Zeilen und Spalten (2) angeordnet, wobei zur Vereinfachung der Darstellung das Mikrolinsenarray bzw. die erste Optik 5 mit fünf Zeilen und zehn Spalten dargestellt ist und nur einige der Mikrolinsen 10 beispielhaft in der Draufsicht von 2 eingezeichnet sind. Tatsächlich ist das Mikrolinsenarray bei der hier beschriebenen Ausführungsform ca. 3 × 6 mm groß und der Durchmesser der einzelnen Mikrolinsen 10 beträgt jeweils ca. 150 μm.
Die zweite Optik 6 weist eine Vielzahl von diffraktiven Elementen 11 auf, die in gleicher Weise wie die Mikrolinsen 10 des Mikrolinsenarrays 5 in Zeilen und Spalten angeordnet sind. In 3 ist die zweite Optik 6 in gleicher Weise wie das Mikrolinsenarray 5 in 2 dargestellt. Die zweite Optik 6 ist so ausgebildet, daß jeder Mikrolinse 10 genau ein diffraktives Element 11 zugeordnet ist. Wie der Darstellung in 3 zu entnehmen ist, unterscheiden sich benachbarte diffraktive Elemente 11 voneinander zumindest in einer ihre diffraktive Wirkung beeinflussenden Eigenschaft. So sind beispielsweise die diffraktiven Elemente, die als Strichgitter ausgebildet sind, unterschiedlich orientiert und weisen auch unterschiedliche Gitterabstände auf. Des weiteren gibt es auch Gitter, bei denen die Gitterfurchen als konzentrische Kreise oder Ellipsen ausgebildet sind. Es sind weitere beliebige Variationen der Gitterformen und Orientierungen möglich. Die diffraktiven Elemente können als zwei- oder dreidimensionale Gitter ausgebildet sein.
Die zweite Optik 6 umfaßt hier eine Quarzplatte, auf der eine strukturierte Chromschicht zur Ausbildung der diffraktiven Elemente ausgebildet ist.
Wie aus 1 ersichtlich ist, trifft ein kohärentes (oder auch partiell kohärentes) Strahlenbündel 12 auf den Stufenspiegel 2 und wird von diesem zur Aufteilungseinrichtung 4 reflektiert. Aufgrund der Stufen des Stufenspiegels 2 kommt es zu unstetigen bzw. diskontinuierlichen Phasenverschiebungen im reflektieren Strahlenbündel 13. In 1 ist eine Wellenfront W gleicher Phase des einfallenden Strahlenbündels 12 eingezeichnet, die beim reflektierten Strahlenbündel 13 aufgrund der durch den Stufenspiegel 2 erzeugten Gangunterschiede für jedes von den Stufen des Stufenspiegels 2 ausgehendes Teilstrahlenbündel S1 – S5 (die das reflektierte Strahlenbündel 13 bilden) relativ zu den anderen Teilstrahlenbündel S1 – S5 in Ausbreitungsrichtung versetzt ist. Dies ist durch die eingezeichnete Lage der Wellenfronten W1 – W5 gleicher Phase in den Teilstrahlenbündeln S1 – S5 dargestellt.
Der Versatz der Wellenfronten ist dabei mittels der Stufenhöhe H (die durch die Dicke der Platten 8 gegeben ist) beim Stufenspiegel 2 so gewählt, daß er der zeitlichen Kohärenzlänge des Strahlenbündels 12 entspricht. Bei der Strahlung eines Argon-Fluorid-Excimer-Lasers entspricht die zeitliche Kohärenzlänge etwa 100 μm, so daß ein Stufenversatz von 50 μm gewählt ist. Bei der Reflexion ergibt sich damit für benachbarte Teilstrahlenbündel ein Gangunterschied von etwa 100 μm, wobei der Gangunterschied aufgrund des schrägen Einfalls des Strahlenbündels 12 etwas größer ist. Der Einfallswinkel des Strahlenbündels 12 auf die Spiegelteilflächen 9 (bezogen auf die Flächennormale N) beträgt hier ca. 20°. Die Stufen des Stufenspiegels 2 sind in der 1 stark vergrößert dargestellt, um den stufenförmigen Phasenversatz im reflektierten Strahlenbündel 13 besser darstellen zu können.
Durch die Reflexion am Stufenspiegel 2 enthält das reflektierte Strahlenbündel 13 somit mehrere Zellen im Strahlenquerschnitt (hier fünf, für jedes Teilstrahlenbündel S1 – S5 eine Zelle), die zueinander inkohärent sind. Die Teilstrahlenbündel S1 – S5 sind daher nicht mehr interferenzfähig, auch wenn eine relativ große laterale bzw. räumliche Kohärenzlänge im Strahlenbündel 12 vorhanden ist. Beim Argon-Fluorid-Excimer-Laser kann die laterale Kohärenzlänge (Kohärenzlänge im Strahlenquerschnitt) über 500 μm betragen. Aufgrund der beschriebenen Erzeugung von in Ausbreitungsrichtung versetzten Zellen im Strahlenbündel 13 wird somit unter Ausnutzung der zeitlichen Kohärenz, die laterale bzw. räumliche Kohärenz vermindert bzw., wenn möglich, so gut wie vollständig aufgehoben.
Die Teilstrahlenbündel S1 – S5 werden dann mittels der 4f-Abbildungsoptik 3 auf die zweite Optik 6 abgebildet. Dazu umfaßt die 4f-Abbildungsoptik 3 eine erste und eine zweite Linse 14, 15, die jeweils eine Objekt- und bildseitige Brennweite f aufweisen. Der Abstand der ersten Linse 14 zum Stufenspiegel 2 und der Abstand der zweiten Linse 15 zur zweiten Optik 6 beträgt jeweils f und die beiden Linsen 14, 15 sind um 2f voneinander entfernt.
Durch die 4f-Abbildungsoptik 3 (in 1 ist zur besseren Übersichtlichkeit nur der Strahlverlauf des Teilstrahlenbündels S1 in der 4f-Abbildungsoptik 3 eingezeichnet) werden die diffraktiven Elemente 11 mit den Beleuchtungsstrahlenbündel 13 derart beaufschlagt, daß mittels jeweils einem Teilstrahlenbündel S1 – S5 eine Zeile von diffraktiven Elementen 11 beleuchtet wird.
Die diffraktiven Elemente 11 der zweiten Optik 6 sind hier so ausgelegt, daß das Licht der (positiven) ersten Beugungsordnung noch sicher auf die zugeordnete Mikrolinse 10 trifft, wie durch den gestrichelten Strahlenverlauf für das Teilstrahlenbündel S4 angedeutet ist. Da die diffraktiven Elemente auch das Licht der nullten Beugungsordnung transmittieren, ohne Änderung der Ausbreitungsrichtung, wie durch den durchgezogenen Strahlenverlauf eingezeichnet ist, treffen auf jede Mikrolinse 10 zwei Strahlenbündel mit etwas unterschiedlichen Einfallswinkeln. Die Strahlenbündel sind jeweils bevorzugt parallele bzw. kollimierte Strahlenbündel. Dies führt dazu, daß jede Mikrolinse 10 in der Pupillenebene P, die zwischen dem Mikrolinsenarray 5 und der Abbildungsoptik 7 liegt, zwei voneinander beabstandete Foki erzeugt. Damit wird im Vergleich zu dem Fall, bei dem keine zweite Optik 6 vorgesehen ist, mindestens die doppelte Anzahl von in der Pupillenebene P fokussierten Strahlen und somit Foki bzw. Bildpunkte erzeugt, so daß die Pupillenfüllung zumindest verdoppelt werden kann.
Wie in der vergrößerten Ausschnittsdarstellung in 4 ersichtlich ist, geht somit von jeder Mikrolinse 10 ein erster Strahl M1 – M5 (durchgezogene Linie) sowie ein zweiter Strahl M1' – M5' (gestrichelte Linie) aus, die in der Pupillenebene P fokussiert werden. Anders gesagt, von jeder Mikrolinse 10 geht ein Stahl nullter Ordnung M1 – M5 sowie ein Strahl erster Ordnung M1' – M5' aus.
Die vom Mikrolinsenarray ausgehenden Strahlen M1 – M5 und M1' – M5' werden mittels der Kondensoroptik 7 auf ein Objektfeld 16 (das bevorzugt im Abstand der Brennweite der Kondensoroptik 7 von dieser beabstandet ist) so abgebildet, daß dieses homogen ausgeleuchtet ist. Durch die Phasenverschiebungen in den Teilstrahlenbündel S1 – S5 kann erreicht werden, daß die Strahlen M1 – M5 einerseits und die Strahlen M1' – M5' andererseits untereinander nicht interferieren, so daß störende Speckle und störende Interferenzen vermindert sind. Es ist natürlich auch möglich, die 4f-Abbildungsoptik 3 wegzulassen und die Aufteilungseinrichtung 4 direkt mit den Teilstrahlenbündeln S1 – S5 zu beaufschlagen.
In der Pupillenebene P kann noch, wie aus der Mikroskopie bekannt ist, eine verstellbare Blende (nicht gezeigt) vorgesehen sein, mit der die Helligkeit der Ausleuchtung im Objektfeld 16 über das Winkelspektrum der auf das Objektfeld 16 treffenden Strahlen einstellbar ist. Die Pupillenebene P ist hier bevorzugt die Brennebene der Mikrolinsen 10, so daß der Abstand der Hauptebene der Mikrolinsen 10 zur Pupillenebene P der Brennweite der Mikrolinsen 10 entspricht.
Die beschriebene Beleuchtungsoptik (Aufteilungseinrichtung 4 + Kondensoroptik 7) ist in der beschriebenen Ausführungsform ein sogenannter beugender Mikrolinsenhomogenisierer. Natürlich kann die Beleuchtungsoptik auch als abbildender Mikrolinsenhomogenisierer ausgebildet sein. Dazu ist zwischen dem Mikrolinsenarray 5 und der Kondensoroptik 7 ein weiteres Mikrolinsenarray (nicht gezeigt) angeordnet, das bevorzugt die gleiche Anzahl von Mikrolinsen wie das Mikrolinsenarray 5 aufweist, wobei insbesondere eine 1:1 Zuordnung zwischen den Mikrolinsen der beiden Mikrolinsenarrays vorliegen kann. Natürlich können die beiden Mikrolinsenarrays gleich ausgebildet sein.
Bei dem hier beschriebenen Beispiel sind die beiden Strahlen, die von einer Mikrolinse 10 ausgehen, miteinander interferenzfähig, so daß im Objektfeld 16 ein Interferenzmuster auftritt. Um diesen unerwünschten Nebeneffekt zu minimieren, sind die einzelnen diffraktiven Elemente 11, wie dies in 3 angedeutet ist, unterschiedlich ausgebildet. Die diffraktiven Elemente 11 unterscheiden sich voneinander zumindest in einer Eigenschaft, die ihre diffraktive Wirkung beeinflußt. Dadurch sind die erzeugten Interferenzmuster von den beiden Strahlen M1, M1'; M2, M2'; M3, M3'; M4, M4'; M5, M5' jeder Mikrolinse 10 von Mikrolinse 10 zu Mikrolinse 10 verschieden. Die diffraktiven Elemente 11 sind nun so ausgebildet, daß sich die unterschiedlichen Interferenzmuster der einzelnen Mikrolinsen 10 in der Objektebene 16 gegenseitig aufheben bzw. daß die Interferenzen herausgemittelt werden.
Die genaue Ausbildung und Ausrichtung der einzelnen diffraktiven Elemente wählt der Fachmann in Abhängigkeit von dem konkreten Anwendungsfall. Er wird dazu herkömmliche Optimierungsverfahren und Optikprogramme einsetzen.
Natürlich ist es auch möglich, die diffraktiven Elemente 11 direkt auf einer Seite der Mikrolinsen 10 aufzubringen. Alternativ ist es möglich, die zweite Optik 6 zwischen der Pupillenebene P und dem Mikrolinsenarray 5 anzuordnen.
Der Stufenspiegel 2 kann so weiter gebildet sein, daß er dem einfallenden Strahlenbündel 12 für jedes diffraktives Element 11 bzw. jede Mikrolinse 10 eine eigene Phasenverschiebung einprägt. In diesem Fall kann der Stufenspiegel 2 durch Mikrostrukturierungsverfahren und anschließende Beschichtung mit einer reflektiven Schicht hergestellt sein. Damit ist es möglich, die Phasenverschiebung für jedes diffraktives Element 11 bzw. jede Mikrolinse 10 individuell so einzustellen, daß Strahlen, die von unterschiedlichen Mikrolinsen 10 ausgehen, nicht mehr miteinander interferieren können.
Ferner ist es auch möglich, zwei Stufenspiegel 2 hintereinander anzuordnen und so gegeneinander zu verdrehen, daß die zwei Stufenspiegel dem zugeführten kohärenten Strahlenbündel 12 die unterschiedliche Phasenverschiebung in Abhängigkeit der Position in einer ersten und zweiten Richtung im Strahlquerschnitt einprägen.
Anstatt der bisher beschriebenen zweiten Optik 6 kann die zweite Optik als doppelbrechendes Element 20 ausgebildet sein, wie dies schematisch in 5 dargestellt ist. Hier ist das doppelbrechende Element als Prisma ausgestaltet, das sich über den gesamten Querschnitt des Beleuchtungsstrahlenbündels 13 erstreckt. Das Prisma 20 ist hier ein doppelbrechender Kristall aus Kalkspat. Wie durch den beispielhaft eingezeichneten Strahlenverlauf für das Teilstrahlenbündel S3 ersichtlich ist, wird dieses in den außerordentlichen Strahl M3 und den ordentlichen Strahl M3' aufgeteilt, die in unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen propagieren. In anderen Worten, die beiden Strahlen M3 und M3' divergieren. Von besonderem Vorteil bei dieser Ausführungsform ist, daß die Strahlen M3 und M3' zueinander senkrecht polarisiert sind. In der beschriebenen Ausführungsform ist der Strahl M3 p-polarisiert und ist der Strahl M3' s-polarisiert. Somit sind die Strahlen M3 und M3' untereinander nicht interterenzfähig, wodurch unerwünschte Interterenzerscheinungen und Speckle im Objektfeld 16 miniert werden können.

Claims

Beleuchtungsanordnung mit einem Kohärenzminderer (1), der einem zugeführten kohärenten Strahlenbündel (12) unterschiedliche Phasenverschiebungen in Abhängigkeit von der Position im Strahlquerschnitt einprägt und als Beleuchtungsstrahlenbündel (13) abgibt, einer dem Kohärenzminderer (1) nachgeordneten Aufteilungseinrichtung (4), die eine erste Optik (5) mit einer Vielzahl von Optikelementen (10), die rasterartig angeordnet sind, aufweist und einer der Aufteilungseinrichtung (4) nachgeordneten Abbildungsoptik (7), wobei das Beleuchtungsstrahlenbündel (13) auf die Aufteilungseinrichtung (4) trifft, die das Beleuchtungsstrahlenbündel (13) in eine Vielzahl von Strahlen (M1, M2, M3, M4, M5, M1', M2', M3', M4', M5') aufteilt, die von der Abbildungsoptik (7) zur Beleuchtung eines Objektfeldes (16) eingesetzt werden können, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilungseinheit (4) eine zweite Optik (6) mit mindestens einem diffraktiven Element (11) und/oder einem doppelbrechenden Element (20) umfaßt, so daß ein Teilstrahl (S1, S2, S3, S4, S5) des Beleuchtungsstrahlenbündels (13), der durch das zumindest eine Element (11, 20) und die erste Optik (5) läuft, in mindestens zwei Strahlen (M1 –M5; M1' –M5') aufgeteilt ist.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilungseinrichtung (4) die Strahlen (M1 – M5, M1' – M5') zwischen die Aufteilungseinrichtung (4) und die Abbildungsoptik (7) nebeneinander fokussiert.
Beleuchtungsanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Optik (6) mehrere diffraktive Elemente (11) umfaßt, von denen sich zumindest zwei Elemente durch eine ihre diffraktive Wirkung beeinflussende Eigenschaft unterscheiden.
Beleuchtungsanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Optik (6) für jedes Optikelement (10) ein zugeordnetes diffraktives und/oder doppelbrechendes Element (11, 20) aufweist.
Beleuchtungsanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Optik (6) zwischen dem Kohärenzminderer (1) und der ersten Optik (5) angeordnet ist.
Beleuchtungsanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Optik (5, 6) als ein integrales Bauteil verwirklicht sind.
Beleuchtungsanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die Elemente (11, 20) der zweiten Optik die durch sie laufenden Teilstrahlen jeweils in mindestens zwei zueinander divergierende Strahlen (M1 – M5; M1' – M5') aufteilt bzw. aufteilen.
Beleuchtungsanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbrechende Element (20) den oder die hindurchlaufenden Teilstrahlen jeweils in zwei Teilstrahlen (M1 – M5; M1' – M5') aufteilt, die senkrecht zueinander polarisiert sind.
Beleuchtungsanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich das diffraktive Element (11) und/oder das doppelbrechende Element (20) über den gesamten Strahlquerschnitt des Beleuchtungsstrahlbündels (13) erstreckt.