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Die
Erfindung bezieht sich auf ein optisches System zur Herstellung
eines Verbundelementes aus transparenten, mit mikrooptischen Strukturen
versehenen plattenförmigen
Substraten, die nach erfolgter gegenseitiger lateraler Ausrichtung
der mikrooptischen Strukturen fest miteinander verbunden werden.
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Die
Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Verbundes transparenter plattenförmiger Substrate, die als Träger von
mikrooptischen Strukturen vorgesehen sind, bei dem nach gegenseitiger
lateraler Ausrichtung der mikrooptischen Strukturen mit Hilfe von
optischen Gittern, die auf den Plattenoberflächen angeordnet sind, eine gegenseitige
Fixierung der Substrate erfolgt.
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Für die gegenseitige
Ausrichtung zweier plattenförmiger
Substrate sind bekanntermaßen
lineare Gitter geeignet.
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So
sieht die
EP 0 140
022 B1 (
US
4 664 524 A ) lineare Phasengitter auf beiden Substraten
vor, deren Abstand zueinander innerhalb der Fresnel-Zone liegt.
Der x- und der y-Richtung sind je ein Gitterpaar zugeordnet. Nur
mittels einer aufwändigen Kombination
von groben und feinen Gitterstrukturen und die Zuhilfenahme eines
Mikroskops oder eines Detektors ist die Bestimmung einer Absolutposition möglich.
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Die
in der
US 5 559 601
A und der
US
6 486 954 B1 beschriebenen Anordnungen lassen vor allem
die Bestimmung von Relativpositionen zu. Die
US 5 559 601 A verwendet
im Fernfeld angeordnete lineare Phasengitter, die als Gitterinterferometer
wirken. Die laserinduzierte nullte und erste Beugungsordnung des
ersten Gitters werden am zweiten Gitter reflektiert und nach Transmission
durch das erste Gitter konstruktiv überlagert. Das amplitudenmodulierte
Signal wird mittels Fouriertransformation ausgewertet, um die Relativposition
zu bestimmen. Zur Bestimmung der Absolutposition sind aufwändige Methoden
zur Signalauswertung erforderlich.
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Die
US 5 052 807 A und
die
US 6 150 231 A nutzen
den Moire-Effekt
so aus, dass aus dem entstehenden Muster über Richtung und Betrag einer Dejustierung
sowie auf die Absolutposition geschlossen werden kann. Die
US 5 052 807 A verwendet
im Fernfeld angeordnete, konzentrische Amplitudengitter. Gemäß der
US 6 150 231 A lässt sich
eine genaue Positionsbestimmung nur mit Hilfe einer mikroskopischen
Auswertung erreichen.
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Moire-Effekte
sind auch die Grundlage für eine
Vorrichtung zur Positionierung zweier Gegenstände, welche in der
DE 1 915 408 A offenbart
ist. Dazu werden Platten, welche eine Anzahl von konzentrischen, äquidistanten
und ein Strahlenbündel abfangende
Kreise aufweisen, unmittelbar aufeinander angeordnet. Die Kreismuster
der Platten unterscheiden sich hinsichtlich der Abstände aufeinanderfolgender
Kreise sowie optional hinsichtlich der Anzahl der Kreise und der
Gestaltung der Kreiszwischenräume.
Die Platten werden von einer Strahlungsquelle mit einer Strahlung
durchleuchtet und zeigen bei exakter Justierung zueinander symmetrische
Moire-Effekte, während
bereits geringe Dejustagen durch zu beobachtenden asymmetrische Moire-Effekte
erkannt und korrigiert werden können.
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Bei
der Lösung
nach der
DE 28 19 400
C2 werden Beugungseffekte an sogenannten „non-blazed” Beugungsgittern
verwendet, um relative Lageabweichungen zwischen einer Platte und
einfallender elektromagnetischer Strahlung sowie zur Ausrichtung
einer ersten Platte und einer zweiten Platte zueinander zu erfassen
und auszugleichen. Die genannten Beugungsgitter sind auf den Oberflächen der
Platten angebracht und beugen die einfallenden Strahlen in positiven
und negativen Richtungen in Gruppen von Beugungsstrahlen erster
bis n-ter Ordnung, und zwar mit gleicher Intensität innerhalb
der Gruppen. Abweichungen der Intensitäten zwischen Gruppen von in
positiver und negativer Richtung gebeugten Strahlen werden als Eingangsgröße für Stelltriebe
verwendet, durch welche die Platte(-n) ausgerichtet werden können. Hierfür ist ein
hoher apparativer Aufwand nötig.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die Absolutposition zweier strahlungsdurchlässiger Substrate
zueinander trotz verringertem apparativen Aufwand mit hoher Genauigkeit
zu bestimmen, um Strukturen auf den Substraten lateral zueinander
positionieren zu können,
wobei insbesondere Mikroskope oder andere abbildende Vergrößerungsoptiken
vermieden und eine Verbindung der ausgerichteten Substrate gewährleistet
werden sollen.
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Gemäß der Erfindung
wird die Aufgabe durch ein optisches System zur Ausrichtung zweier, transparenter,
mit mikrooptischen Strukturen versehener plattenförmiger Substrate
gelöst,
die nach erfolgter gegenseitiger lateraler Ausrichtung der mikrooptischen
Strukturen fest miteinander verbunden werden, enthaltend
- – mindestens
zwei Paare von sich gegenüberliegenden
binären
Strukturen konzentrischer Kreise für die gegenseitige laterale
Ausrichtung der mikrooptischen Strukturen, wobei zwischen einer ersten
binären
Struktur eines Paares, die auf der Oberfläche des einen Substrates und
einer zweiten binären
Struktur dieses Paares, die auf der Oberfläche des anderen Substrates
angeordnet sind, ein Abstand besteht, der innerhalb des Nahfeldes
der binären
Strukturen liegt,
- – eine
Laserstrahlungsquelle, deren Laserstrahlenbündel zur Durchstrahlung der
binären
Strukturen senkrecht zu den Oberflächen der Substrate gerichtet
ist und
- – ein
zur Aufnahme und Anzeige eines Beugungsmusters vorgesehenes Kamera-Bildschirmsystem,
das im Fernfeld der binären
Strukturen in einer Ebene angeordnet ist, in der infolge der Durchstrahlung
das Beugungsmuster entsteht.
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Unter
dem Nahfeld der binären
Strukturen konzentrischer Kreise wird derjenige Abstand verstanden,
in dem sich die Beugungsordnungen noch nicht ausgebildet haben und
in dem die von den Strukturen erzeugte Amplituden- und Phasenverteilung
derjenigen der Struktur noch sehr ähnelt.
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Das
auf die erste binäre
Struktur auftreffende Laserstrahlenbündel erzeugt in der Ebene,
in der sich die zweite binäre
Struktur befindet, eine Amplituden- und Phasenstruktur, die sich
mit der zweiten binären Struktur überlagert,
wodurch im Fernfeld das gewünschte
Beugungsmuster entsteht.
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Zur
Gewährleistung
der senkrechten Durchstrahlung ist eine Blende im Strahlengang der
Laserstrahlungsquelle angeordnet, auf deren Blendenrand eine Abbildung
von Rückreflexen
von den Substraten bei nicht senkrechter Durchstrahlung erfolgt.
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Erfindungsgemäß ist in
der im Fernfeld liegenden Anzeigeebene ein Kamera-Bildschirmsystem
zur Aufnahme und Anzeige des Beugungsmusters für eine verbesserte visuelle
Auswertung angeordnet.
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Wird
das Kamera-Bildschirmsystem zusätzlich
mit einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung des amplitudenmodulierten
Beugungsmusters verbunden, ist eine messtechnische Auswertung möglich.
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Die
vorliegende Erfindung gestattet somit durch visuelle oder messtechnische
Auswertung des im Fernfeld infolge der Durchstrahlung mit dem Laser vorliegenden
und von Periode zu Periode sich unterscheidenden Beugungsmusters,
welches die Information über
Richtung und Betrag einer Dejustierung liefert, die Bestimmung der
Absolutposition ohne Zuhilfenahme eines Mikroskops oder anderer
abbildender Vergrößerungsoptiken,
wodurch eine hochgenaue Ausrichtung der plattenförmigen Substrate gewährleistet
wird.
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Im
Unterschied zu den bekannten technischen Lösungen werden keine beleuchteten
Strukturen abgebildet, sondern es wird im Fernfeld ein durch veränderte Ausbreitungseigenschaften
des Strahlungsfeldes erzeugtes auswertbares Beugungsmuster zur Verfügung gestellt.
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Das
erfindungsgemäße optische
System ist leicht zu transportieren und eignet sich durch einen kompakten
und kostengünstigen
Aufbau besonders für
sehr kleine Bauräume.
Mit der Anordnung lassen sich optische Elemente, die sich auf Glassubstraten befinden,
lateral zueinander positionieren.
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Die
binären
Strukturen konzentrischer Kreise können als Kombination zweier
Amplitudengitter, zweier Phasengitter oder auch als Kombination
Amplitudengitter/Phasengitter ausgebildet sein. Vorteilhafterweise
wird jedoch die Kombination von Phasengittern verwendet, die als
Oberflächenprofil
in das Substrat eingebracht sind.
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Unter
Umständen
kann es zur Erhöhung
der statistischen Sicherheit von Vorteil sein, mehr als zwei Paare
sich gegenüberliegender
Strukturen konzentrischer Kreise auf den Substraten vorzusehen, insbesondere
dann, wenn sich beide Paare aufgrund von Herstellungsabweichungen
nicht gleichzeitig exakt zur Deckung bringen lassen.
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Die
oben stehende Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Herstellung
eines Verbundes transparenter plattenförmiger Substrate, die als Träger von
mikrooptischen Strukturen, welche ein optisches System zur Umwandlung
einer primären
Intensitätsverteilung
in eine vorgegebene, raumwinkelabhängige Intensitätsverteilung
bilden, vorgesehen sind, bei denen nach gegenseitiger lateraler
Ausrichtung der mikrooptischen Strukturen mit Hilfe von optischen
Gittern, die auf den Plattenoberflächen angeordnet sind, eine
gegenseitige Fixierung der Substrate erfolgt, dadurch gelöst, indem
als optische Gitter binäre
Strukturen konzentrischer Kreise dienen, die paarweise gegenüberliegend
einen gegenseitigen Abstand aufweisen, der innerhalb des Nahfeldes
der binären
Struktur liegt und die senkrecht mit einem Laserstrahlenbündel durchstrahlt
werden, wodurch in einer Ebene im Fernfeld der binären Strukturen
ein Beugungsmuster resultiert, anhand dessen die laterale Ausrichtung
der mikrooptischen Strukturen durchgeführt wird.
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Bevorzugt
erfolgt die laterale Ausrichtung der mikrooptischen Strukturen anhand
einer entlang eines Kreisringes verlaufenden Amplitudenmodulation
der ersten Beugungsordnung, indem aus alternierenden Hell-Dunkel-Abschnitten
der größte Dunkel-Abschnitt ausgewählt und
eine Verschiebung entlang einer Bahn, die vom Zentrum des Beugungsmusters
zum Zentrum des größten Dunkel-Abschnittes
verläuft,
durchgeführt
wird, bis ein geschlossener heller Kreisring vorliegt.
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Damit
die beiden Substrate leicht gegeneinander verstellt werden können und
für die
Herstellung der gegenseitigen festen Verbindung kann vorteilhaft zwischen
die beiden Substrate örtlich
begrenzt Klebemittel eingebracht werden, innerhalb dessen sich geeignete
Abstandshalter befinden.
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Gegenstand
der Erfindung ist ferner ein optisches Verbundelement, bestehend
aus einem Paar transparenter, mit mikrooptischen Strukturen versehener
plattenförmiger
Substrate, enthaltend mindestens zwei Paare von sich gegenüberliegenden
binären
Strukturen konzentrischer Kreise, bei denen zwischen einer ersten
binären
Struktur eines Paares, die auf der Oberfläche des einen Substrates und
einer zweiten binären
Struktur dieses Paares, die auf der Oberfläche des anderen Substrates
angeordnet sind, ein Abstand besteht, der innerhalb des Nahfeldes
der binären
Strukturen liegt.
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Besonders
vorteilhaft lässt
sich die Erfindung für
die Herstellung eines Verbundes von plattenförmigen Substraten verwenden,
deren einander zugewandte Oberflächen
Träger
von diffraktiven mikrooptischen Homogenisierungsstrukturen sind,
wodurch ein optisches System zur Umwandlung einer primären Intensitätsverteilung
in eine vorgegebene, raumwinkelabhängige Intensitätsverteilung
gebildet wird.
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Das
optische System enthält
auf dem ersten Substrat erste diffraktive mikrooptische Homogenisierungsstrukturen,
die aus der primären
Intensitätsverteilung
in einer ersten Ebene eine feinstrukturierte Amplituden- und Phasenverteilung
erzeugen und auf dem zweiten Substrat und in der ersten Ebene angeordnete
zweite diffraktive mikrooptische Homogenisierungsstrukturen, die,
an die feinstrukturierte Amplituden- und Phasenverteilung angepasst,
aus der feinstrukturierten Amplituden- und Phasenverteilung die
vorgegebene, raumwinkelabhängige
Intensitätsverteilung
in einer zweiten Ebene generieren. Während die erste Ebene im Nahfeld
angeordnet ist, liegt die zweite Ebene im Fernfeld.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es
zeigen:
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1 eine
Darstellung eines dejustierten Zustandes von zwei binären Strukturen
konzentrischer Kreise, die in einem Abstand d innerhalb des Nahfeldes
voneinander entfernt sind
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2 auf
gleiche Intensität
normierte Intensitätsverteilungen
innerhalb der ersten Beugungsordnung für unterschiedliche Dejustierungen
mit Intensitätsprofil
für die
Verschiebungen v = (–250,
0) nm und v = (0, 0) nm
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3 ein
in einer Anzeigeebene im Fernfeld entstehendes Beugungsbild
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4 den
Beleuchtungsstrahlengang für eine
Justieranordnung
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5 eine
Justieranordnung zur Ausrichtung zweier strahlungsdurchlässiger Substrate
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6 bei
der Justieranordnung gemäß 5 verwendete
Stellmittel zur gegenseitigen Ausrichtung der beiden Substrate
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7 für einen
Verbund besonders geeignete Quarzsubstrate mit sich gegenüberliegenden
mikrostrukturierten Oberflächen
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Gemäß der Erfindung
sind in 1 eine erste und eine zweite
binäre
Struktur 1, 2 konzentrischer Kreise vorgesehen,
wobei die zweite binäre
Struktur 2 in einem Abstand d innerhalb des Nahfeldes der ersten
binären
Struktur 1 angeordnet ist. In Abhängigkeit von der Größe der dargestellten
Dejustage Δx und Δy entsteht
in der Ebene der zweiten binären Struktur
eine Amplituden- und Phasenstruktur als Nahfeldverteilung, in der
die Information über
die Dejustage enthalten ist.
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Von
dem im Fernfeld aus der Nahfeldverteilung entstehenden Beugungsmuster
BM ist besonders die entlang eines Kreisringes verlaufende Amplitudenmodulation
der ersten Beugungsordnung 1BO für die Auskunft über Richtung
und den Betrag des Verschiebevektors einer vorliegenden Dejustierung von
Interesse. Insbesondere ist die erste Beugungsordnung derart amplitudenmoduliert
(2 und 3), dass die Richtung und der
Betrag des Verschiebvektors v = (Δx, Δy) für eine besonders vorteilhafte
visuelle Auswertung erkennbar ist. Anhand der Lage und der Größe der vorhandenen
Asymmetrie in der Helligkeit des Kreisringes ist die Richtung der
Dejustierung erkennbar, die z. B. gemäß 2a) oder
c) vom Zentrum aus auf den Schwerpunkt des Dunkel-Abschnittes verläuft. Eine
Rechtsverschiebung bzw. eine Linksverschiebung bewirkt eine Zunahme der
Helligkeit in der einen oder anderen Richtung.
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Die
Anzahl der Modulationen erhöht
sich mit zunehmender Dejustierung (2d)).
Infolge dessen tritt bei größeren Verschiebungen
nicht nur eine einzelne Asymmetrie in der Helligkeit des Kreisringes auf,
sondern der Kreisring weist alternierende Hell-Dunkel-Abschnitte
auf, wobei in Richtung einer vorliegenden Dejustierung der größte Dunkel-Abschnitt
vorliegt.
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Bei
vollständiger Überdeckung
(2b)) resultiert ein Kreisring, der keine dunklen
Abschnitte aufweist.
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Das
Beugungsmuster im Fernfeld wird während der Justierung dahingehend
ausgewertet, dass die laterale Verschiebung der zu justierenden
Substrate 1, 2 minimiert wird. Es hat sich gezeigt,
dass bei visueller Auswertung ohne Verwendung vergrößernder
Beobachtungsoptiken und bei einer Gitterperiode von 2 μm bereits
eine Justiergenauigkeit von kleiner +/–50 nm erreicht werden kann.
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Vorteilhaft
kann in einer im Fernfeld liegenden Anzeigeebene AE ein Kamera-Bildschirmsystem zur
Aufnahme und Anzeige der Intensitätsverteilung der ersten Beugungsordnung 1BO angeordnet
sein. Erfolgt die Auswertung unter Zuhilfenahme dieses Kamera-Bildschirmsystems,
beträgt
die messbare Dejustage weniger als +/–10 nm.
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Die
Helligkeit der nullten Beugungsordnung 0BO ist ebenfalls
von der Dejustierung abhängig
und kann zusätzlich
mit einem Detektor erfasst und messtechnisch ausgewertet werden.
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Bei
der in 4 und 5 dargestellten Justieranordnung
befinden sich auf einander zugewandten Oberflächen zweier benachbarter strahlungsdurchlässiger Substrate 3, 4 Paare 5, 6 von
Justiermarken, bestehend aus ersten und zweiten binären Strukturen 7, 8, 9, 10 konzentrischer
Kreise, von denen erste binäre
Strukturen 7, 9 auf dem ersten Substrat 3 und
zweite binäre
Strukturen 8, 10 auf dem zweiten Substrat 4 aufgebracht
sind. Vorteilhaft sind die Paare 5, 6 von Justiermarken
an Stellen mit großem
Abstand, z. B. diagonal gegenüberliegend
vorgesehen, um eine möglichst
große
Justiergenauigkeit zu erhalten.
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Ein
von einer Laserstrahlungsquelle 11 bereitgestelltes Laserstrahlenbündel L ist
zur Durchstrahlung der binären
Strukturen 7, 8, 9, 10 in deren Zentrum über einen
justierbar angeordneten Strahlteiler 12 und einen justierbar
angeordneten Umlenkspiegel 13 sowie weiteren Umlenkspiegeln 14, 15 zu
gleichen Teilen L1 und L2 senkrecht
auf die Oberflächen
der Substrate 3, 4 gerichtet.
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In
der Ausführung
gemäß 4 und 5 besitzt
das Laserstrahlenbündel
L eine Wellenlänge von
633 nm und einen Durchmesser von 1,8 mm. Die binären Strukturen 7, 8, 9, 10 konzentrischer
Kreise weisen als konzentrische Gitter eine Periode von 2 μm auf. Unter
dem Nahfeld wird in diesem Fall der Bereich von der binären Struktur
bis zu einem Abstand von etwa 1 mm verstanden. Das Fernfeld beginnt
ab etwa 20 mm.
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Die
senkrechte Durchstrahlung ist notwendig, da auf Grund des Abstands
beider Substrate 3, 4 ansonsten trotz exakter
Justage eine Dejustierung infolge einer nicht durch die Zentren
der Justiermarken verlaufenden Strahlachsen vorgetäuscht würde.
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Deshalb
ist in den Strahlengang der Laserstrahlungsquelle 11 eine
Blende 16 eingeschaltet, auf deren Blendenrand die Rückreflexe
beider Teilstrahlen vom Substrat bei nicht korrekter Justage sichtbar
werden.
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Vorteilhafterweise
wird der Abstand a zwischen der Blende 16 und dem Substrat 3 zur
Erhöhung
der Genauigkeit möglichst
groß und
die Blendenöffnung
und damit die Größe des Rückreflexes möglichst
klein gewählt.
Das Verhältnis
zwischen Abstand a und nachweisbarer Verschiebung des Rückreflexes
auf der Blende muss mindestens so groß sein wie das Verhältnis zwischen
dem gegenseitigen Abstand der Substrate 3, 4 und
der geforderten lateralen Justiergenauigkeit.
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Gemäß 6 sind
zur gegenseitigen lateralen Ausrichtung der Substrate 3, 4,
insbesondere von mikrooptischen Strukturen auf den Substraten, Fixier-
und Verschiebemittel vorgesehen, von denen Halterungen H1 und H2 zur Sicherung
des unteren Substrates 3 gegen Translation und Verdrehung
an diagonal gegenüberliegenden
Ecken angreifen und Halterungen H3 und H4 für
das obere Substrat, die ebenfalls an diagonal gegenüberliegenden
Ecken angreifen jedoch um 90° gegenüber den
Halterungen H1 und H2 verdreht
angeordnet sind, mit drei Translations-Stellmitteln x, y1 und y2 in Verbindung
stehen, um laterale Verschiebungen in x- und y-Richtung sowie eine
Drehung φ der
Substrate zueinander zu ermöglichen,
indem das obere Substrat 4 gegenüber dem festgestellten unteren
Substrat 3 in der durch Pfeildarstellungen markierten Richtung
bewegt wird.
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Die
Halterungen H1, H2,
H3 und H4 liegen
soweit federnd an dem Substraten 3, 4 an, dass
Zerstörungen
vermieden werden. Vorteilhaft „schwimmt” das obere
auf dem unteren Substrat, indem z. B. zwischen beide Substrate 3, 4 tröpfchenförmig ausgebildetes
Klebemittel eingebracht wird, innerhalb dessen sich geeignete Abstandshalter
befinden. Nach der gegenseitigen Ausrichtung der beiden Substrate 3, 4 erfolgt
der Fügeprozess
durch das Klebemittel. Es können
aber auch andere Fügeverfahren,
wie z. B. Löten
angewendet werden.
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Da
die Justiermarken auf beiden Substraten 3, 4 gleich
ausgebildet sind, existiert keine bevorzugte Durchstrahlrichtung.
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Bei
den sich mit einem Abstand von wenigen Mikrometern gegenüberliegenden
mikrostrukturierten Oberflächen
in 7 handelt es sich um diffraktive mikrooptische
Homogenisierungsstrukturen 3', 4', bevorzugt
Phasenstrukturen, die zur Umwandlung einer primären Intensitätsverteilung,
insbesondere die eines Lasers, in eine vorgegebene, raumwinkelabhängige Intensitätsverteilung
geeignet sind.
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Die
beiden mikrooptischen Homogenisierungsstrukturen 3', 4' weisen einen
Abstand zueinander auf, bei der die zweite mikrooptische Homogenisierungsstruktur 4' innerhalb des
Nahfeldes (erste Ebene E1) der ersten mikrooptischen
Homogenisierungsstruktur 3' unmittelbar
nachgeordnet, d. h. in einem Bereich, in dem die wesentlichen Merkmale
einer von den ersten mikrooptischen Homogenisierungsstrukturen 3' in einer zweiten
Ebene E2 erzeugten Fernfeld-Intensitätsverteilung
noch nicht erkennbar sind. Unter dem Fernfeld der mikrooptischen
Homogenisierungsstrukturen 3', 4' wird derjenige
Bereich hinter den mikrooptischen Homogenisierungsstrukturen 3', 4' verstanden,
bei dem sich die raumwinkelabhängige
Intensitätsverteilung
bei Abstandsvergrößerung nicht
mehr verändert.
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Die
ersten mikrooptischen Homogenisierungsstrukturen 1 erzeugen
als Nahfeldverteilung eine Feinstruktur mit einer Amplituden- und Phasenverteilung,
zu der die durch Computergenerierung an diese Verteilung im Design
zugeschnittene zweite mikrooptische Homogenisierungsstruktur 4' durch die Erfindung
exakt justiert ist.