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Die
Erfindung betrifft eine Projektionsbelichtungsanlage, insbesondere
für die
Mikrolithographie zur Herstellung von Halbleiterbauelementen mit
einer polarisiertes Licht erzeugenden Lichtquelle, einem Beleuchtungssystem
und einem Projektionsobjektiv, wobei das Beleuchtungssystem einen
Lichtleiter enthält.
Die Erfindung betrifft auch einen Lichtleiter für eine Lichtquelle, die polarisiertes
Licht erzeugt.
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Eine
Projektionsbelichtungsanlage der eingangs erwähnten Art mit einem Lichtleiter
ist aus der
DE 102
55 735 A1 bekannt.
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Lichtleiter
dienen zur Bündelung,
Homogenisierung und zu einer eventuellen Lichtleitwerterhöhung eines
von einer Lichtquelle kommenden Lichtes, zum Beispiel von einem
Laser. Nachteilig bei den bekannten Lichtleitern in Form von länglichen,
quaderförmigen
Lichtleiterstäben
oder von Lichtleiterstäben
mit zylindrischem Querschnitt ist jedoch, dass das von der Lichtquelle
ankommende polarisierte Licht beim Durchgang teilweise oder vollständig depolarisiert
wird.
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Bei
Projektionsbelichtungsanlagen, insbesondere bei Projektionsbelichtungsanlagen
mit Systemaperturen deutlich größer 1,0
sollte jedoch mit polarisiertem Licht gearbeitet werden. Auch bei
katadioptrischen Systemen ist man auf den Erhalt des Polarisationszustandes
angewiesen. Wenn man katadioptrisch unpolarisiert einen sogenannten
Intensitätsstrahlteiler
benützen
würde,
hätte man
einen sehr hohen Verlust, mindestens 75 %, am Strahlteiler zu erwarten.
Bei einem Excimerlaser, der zum Beispiel linear polarisiertes Licht
erzeugt, läuft
das Licht verlustarm durch den Strahlteiler, wird anschließend durch
zweimaliges Passieren einer λ/4
Platte um 90 Grad gedreht bezüglich
seines elektrischen Vektors und verlässt dann den Strahlenteiler
auf einem anderen Kanal. Dies bedeutet, man benötigt hierzu linearpolarisiertes
Licht. Auch die Erzeugung tangential linear polarisierten Lichtes
erfordert eine polarisationserhaltende Beleuchtungseinheit.
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Die
bisher verwendeten Lichtleiterstäbe
sind entweder aus optischem Glas oder aus Kieselglas (SiO2) oder
aus einem isotropen Kristall. Alle diese Werkstoffe besitzen mehr
oder weniger die Eigenschaft, sich bei Strahlungsbelastung zu erwärmen. Aufgrund
der Erwärmung,
die im allgemeinen ungleichmäßig erfolgt,
entstehen mechanische Spannungen in dem Material des Lichtleiters.
Diese Spannungen wiederum machen das ursprünglich isotrope Material anisotrop.
Man bekommt verschiedene Brechzahlen im Material und zwar je nachdem,
wie der elektrische Vektor des linear polarisierten Lichtes zu den
Materialspannungen orientiert ist. Insbesondere bei kubischen Fluoridkristallen
sind aufgrund ihrer hohen thermischen Ausdehnung und der spannungsoptischen
Koeffizienten die Auswirkungen beträchtlich. Schon allein bei einem
geraden Durchgang durch einen langen Stab, wäre die Polarisationsveränderung
nicht mehr tolerierbar. Die Verhältnisse
bei Kieselglas sind zwar etwas günstiger,
denn infolge der geringeren thermischen Ausdehnung bleiben die mechanischen
Spannungen kleiner, welche durch die Strahlenbelastung hervorgerufen
werden, aber verfügbare
Quarzstäbe
sind immer noch mit kleineren herstellungsbedingten Spannungsdoppelbrechungen
behaftet, so dass selbst im unbelasteten, einfachen Durchtritt durch
den Lichtleiter ohne seitliche Totalreflexion kein akzeptabler Polarisationsdurchtritt
erfolgt. Zwar könnten
sorgfältige
Feinkühlungen
und eine sehr hohe Qualitätsauswahl
des Kieselglases bezüglich
seiner Spannungsdoppelbrechungswerte hier Abhilfe bereiten, aber
dies würde zu
einem sehr hohen Aufwand und damit zu hohen Kosten führen.
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Gravierender
sind jedoch die Phasenverschiebungen, die durch die gewünschten
Totalreflexionen an der Wandung des Lichtleiters bei schrägem Strahlungseinfall
auftreten. Die mehrfachen Totalreflexionen beinhalten ja die eigentliche
Aufgabe eines Lichtleiters zur Lichtleitwerterhöhung.
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Bei
jedem windschiefen Einfall in einen Lichtleiter ist die Po larisation
zwangsweise bereits spätestens
nach der zweiten Reflexion aufgrund der Phasenverschiebung durch
Totalreflexion für
polarisiertes Licht zerstört.
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Zum
allgemeinen Stand der Technik wird auf die
DE 34 17 888 A1 , die
EP 0 447 390 B1 ,
die
US 4,930,731 ,
US 5,001,093 ,
US 5,244,849 ,
US 5,461,500 und die Patent Abstract
of Japan 59-136825,
01-182659 und 01-286935 A verwiesen.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lichtleiter
für die
eingangs erwähnte Projektionsbelichtungsanlage
zu schaffen, der den Polarisationszustand eines von einer Lichtquelle stammenden
Lichtes auch nach Durchgang durch den Lichtleiter wenigstens weitgehend
unverändert beibehält.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten
Merkmale gelöst.
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Mit
der erfindungsgemäßen Materialauswahl und
Ausgestaltung des Lichtleiters wird erreicht, dass das in den Lichtleiter
eintretende linear polarisierte Licht am Ausgang des Lichtleiters
den gleichen Polarisationszustand besitzt.
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Der
Erfinder hat festgestellt, dass praktisch eine gewisse einheitliche
Mindestdoppelbrechung notwendig ist, um die Polarisation über eine
größere Wegstrecke
zu erhalten. Dazu wird ein doppelbrechender einachsiger Kristall
verwendet. Der einachsige Kristall ist entweder tetragonal oder
hexagonal oder trigonal (rhomboedrisch). Er besitzt eine kristallographische
Hauptachse. Entlang der kristallographischen Hauptachse liegt nur
eine Brechzahl vor, wenn man den Kristall aber schräg oder senkrecht
zu der kristallographischen Hauptachse betrachtet, liegen zwei Brechzahlen
vor. Die Differenz der beiden Brechzahlen ist bekannt und diese
Differenz führt
dazu, dass keine induzierte, sondern eine permanente Doppelbrechung
in dem Kristall vorliegt; d.h. keine Doppelbrechung etwa durch einen
Kristallbaufehler oder aufgrund von Spannungen, sondern eine permanente
Doppelbrechung mit einem großen
Vektor der Doppel brechung. Zu der großen, permanenten Doppelbrechung
kann allerdings eine kleine Doppelbrechung durch einen Kristallbaufehler
hinzukommen, welcher eine beliebige Richtung aufweist. Dieser kleine
hinzukommende Fehler ist jedoch praktisch im Vergleich zu dem großen "eingebauten" Doppelbrechungsvektor
bzw. zu dessen Orientierung nicht mehr in der Lage, die Richtung
und/oder die Größe dieser
großen
akkumulierenden Wirkung der Doppelbrechung zu ändern.
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Dies
bedeutet, wenn die Richtung der einfallenden linearen Polarisation
wenigstens annähernd senkrecht
oder parallel zu der kristallographischen Hauptachse schwingt und
die Kristallographische Hauptachse ebenfalls senkrecht zur größten Längserstreckung
des Lichtleiters ausgerichtet ist, dann bleibt die Polarisation
am Ausgang des Lichtleiters in den Hauptschnitten vollständig erhalten.
Die Polarisation bleibt auch dann erhalten, wenn der Lichtleiter unter
mechanischer Spannung deformiert wird oder Wärmespannungen ausgesetzt wird.
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Bei
einem quaderförmigen
Lichtleiter wird man zusätzlich
die kristallographische Hauptachse des optisch einachsigen Kristalls,
wenigstens annähernd
parallel zu den Außenflächen des
Lichtleiters des Quaders orientieren.
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In
vorteilhafter Weise kann vorgesehen sein, dass der quaderförmige Lichtleiterstab
mit linearpolarisiertem Licht beaufschlagt ist, wobei der elektrische Vektor
des linear polarisierten Lichtes wenigstens annähernd senkrecht oder parallel
zu einer der Eintrittskanten des Lichtleiters steht.
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Davon
abweichend wird bei einem Lichtleiter mit zylindrischem Querschnitt
die kristallographische Hauptachse des optisch einachsigen Kristalls
wenigstens annähernd
parallel zur Zylinderachse orientiert. Diese Art von Lichtleiter
verringert den räumlichen
Kohärenzgrad
von Laserlicht zur Waferbelichtung, was vorteilhaft ist, da es Speckle-Effekten
vorbeugt.
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In
vorteilhafter Weise wird man bei dem Lichtleiter mit zy lindrischem
Querschnitt tangential polarisiertes Licht oder radial polarisiertes
Licht symmetrisch auf die Eintrittsfläche des Lichtleiters richten und
das einfallende Strahlenbündel
wenigstens annähernd
symmetrisch zur Zylinderachse des Lichtleiterstabes ausrichten.
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Als
besonders vorteilhaftes Material für den erfindungsgemäßen Lichtleiter
hat sich Magnesiumfluorid herausgestellt. Magnesiumfluorid ist insbesondere
bei Anwendung von extrem kurzwelligem UV-Licht, insbesondere bei
Wellenlängen
von 193 nm und kleiner, sehr gut geeignet, da es in diesem Bereich
noch sehr transparent ist. Außer
Magnesiumfluorid sind jedoch auch noch andere einachsige Kristalle
geeignet, wie z.B. Lanthanfluorid, Saphir oder Berylliumoxid.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann weiterhin vorgesehen
sein, dass zur Aufweitung und/oder zur Umwandlung des Lichtes in eine
oder beide Raumrichtungen vor dem Lichtleiter ein diffraktives oder
refraktives optisches Element angeordnet ist.
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Die
Anordnung eines diffraktiven oder refraktiven optischen Elements
vor dem Lichtleiter führt
dazu, dass aus einem kollimierten Lichtstrahl ein aufgeweitetes
Bündel
für den
Eintritt in den Lichtleiter zur Verfügung steht. Auf diese Weise
kommt es zu den mehrfachen Totalreflexionen an den Wänden des Lichtleiters.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen und
aus den nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschriebenen
Ausführungsbeispielen.
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Es
zeigt:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Projektionsbelichtungsanlage;
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2 ein
perspektivische Darstellung eines quaderförmigen Lichtleiterstabes mit
zwei Möglichkeiten
für die
kristallographischen Hauptachsen;
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3 eine
perspektivische Darstellung eines Lichtleiterstabes mit zylindrischer
Form;
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4 eine
Seitenansicht eines Lichtleiters mit einem diffraktiven/refraktiven
optischen Element und einer Immersionsflüssigkeit am Eingang;
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5 eine
Prinzipdarstellung von mehreren hintereinander angeordneten Lichtleitern;
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6 zwei
direkt hintereinander angeordnete Lichtleiter;
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7-10 Prinzipdarstellungen
von verschiedenen Eingangsflächen
eines zylinderförmigen Lichtleiters.
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Die
in der
1 prinzipmäßig dargestellte Projektionsbelichtungsanlage
ist grundsätzlich
von bekanntem Aufbau, weshalb nachfolgend nur kurz darauf näher eingegangen
wird. Hierzu wird beispielsweise auf die bereits erwähnte
DE 102 55 735 A1 verwiesen.
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Eine
Projektionsbelichtungsanlage 1 besteht im wesentlichen
aus einer Lichtquelle 2, zum Beispiel einem Laser, einem
Beleuchtungssystem 3 mit einer Optikeinrichtung 4 und
Umlenkspiegeln 5. Zwischen dem Beleuchtungssystem 3 und
einem Projektionsobjektiv 6 ist ein sogenanntes Reticle 7 angeordnet, dessen
Struktur in einem wesentlich verkleinerten Maßstab auf einen Wafer 8 abgebildet
wird.
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In
dem Beleuchtungssystem 3 ist weiterhin ein Spiegelstab
bzw. Lichtleiter 20 angeordnet.
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In
der 2 und folgende Figuren ist der in der 1 dargestellte
Lichtleiter 20 vergrößert in
perspektivischer Darstellung als länglicher, quaderförmiger Lichtleiterstab
dargestellt 20. Der Lichtleiterstab 20 kann zum
Beispiel aus Magnesiumfluorid bestehen. Die kristallographische
Hauptachse des optisch einachsigen Magnesiumfluorid-Kristalls ist
immer senkrecht zur Längserstreckung
bzw. Längsachse 21 des
Lichtleiterstabes 20 ausgerichtet, wie dies mit "HA1" dargestellt ist
oder, wie dies mit "HA2" dargestellt ist.
Wenn der quaderförmige
Lichtleiterstab 20 nach der 2 mit linear
polarisiertem Licht des Lasers 2 beaufschlagt wird, so
verlässt
dieses den Lichtleiterstab 20 nach mehreren Reflexionen
in den Hauptschnitten an den Wänden
des Stabes ebenfalls in den Hauptschnitten linear polarisiert.
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Um
aus dem im allgemeinen kollmierten Lichtstrahl ein aufgeweitetes
Büschel
zu bekommen, das zur Lichtleiterhöhung in dieser Form in den
Lichtleiter 20 eintreten soll, ist am Eingang 22 des
Lichtleiters ein refraktives oder ein diffraktives optisches Element 23 angeordnet,
wie dies aus der 4 ersichtlich ist. Gegebenenfalls
kann am Ausgang 24 des Lichtleiters 20 ebenfalls
nochmals ein refraktives oder diffraktives optisches Element 25 vorgesehen sein.
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Die 3 zeigt
einen Lichtleiter 20' in
Zylinderform mit seiner Hauptachse "HA".
Der Lichtleiter 20' in
Zylinderform ist für
einen Durchgang mit radial polarisiertem Licht (siehe Pfeile 26)
oder tangential polarisiertem Licht (siehe gestrichelte Darstellung 27) vorgesehen.
Beide Arten von polarisiertem Licht sollten symmetrisch auf die
Eintrittsfläche 22' des Lichtleiters 20' einfallen.
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Wie
aus der 4 weiterhin ersichtlich ist, kann
zwischen dem refraktiven oder diffraktiven optischen Element 23 und
dem Lichtleiter 20 in optischer Kopplung eine Immersionsflüssig keit 28 eingebracht werden.
Durch die zusätzliche
Anordnung einer Immersionsflüssigkeit 28,
die in einem nicht näher
dargestellten Behälter,
einer Fassung oder dergleichen angeordnet ist, wird erreicht, dass
nach dem Aufweiten des Lichtes kein Wechsel im Medium mehr stattfindet.
Durch diese Maßnahme ändert sich
dann die Polarisationsrichtung nicht mehr, wofür lediglich dafür zu sorgen
ist, dass die Brechzahl der Immersionsflüssigleit entsprechend an die
des refraktiven oder diffraktiven optischen Elements 23 angepasst
ist. Beim Austritt aus dem Lichtleiter 20 findet zwar eine leichte
Elliptisierung statt, da aber im Lichtleiter selbst eine Vielzahl
von Totalreflexionen erfolgt ist, ist diese leichte Elliptisierung
bedeutungslos.
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Das
Grundprinzip lautet praktisch: Sehr gut polarisiertes Licht sollte
im Medium dieselbe Polarisationsrichtung besitzen wie die Richtung
der Kanten des Lichtleiterstabes.
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Statt
Polarisationserhaltung, kann auch eine Polarisationsmischung erreicht
werden. Dazu zeigt die kristallographische Hauptachse senkrecht
zur Längserstreckung
des Lichtleiters, die Richtung des elektrischen Vektors des linear
polarisierten Lichtes wird etwa unter 45 Grad zu den Kanten der
Eintrittsfläche 22 des
Lichtleiters 20 gelegt. Auf diese Weise wird erreicht,
dass durch die Phasenverschiebung, bedingt durch innere Totalreflexionen,
voll wirksam und winkelabhängig
der Polarisationszustand kontinuierlich gemischt wird. Gleichzeitig
bewirkt die Doppelbrechung des Kristalls, dass ebenfalls winkelabhängig zusätzliche
Phasenverschiebungen stattfinden. Lediglich für wenige Bogensekunden Winkelbereich
und nur im direkten Durchgang, ohne Totalreflexion, kommt linear
polarisiertes Licht durch den Lichtleiter. Da aber der Winkelbereich
viele Grad aufweist, ist dies völlig
vernachlässigbar.
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Legt
man die optische Achse des Kristalls parallel zu den Kanten des
Quaders der Eintrittsfläche 22 legen
und dazu den elektrischen Vektor des linear polarisierten Lichts,
hat man polarisationserhaltende Verhältnisse in den Hauptschnitten
für alle Winkel.
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Da
Magnesiumfluorid im allgemeinen nicht in den für Lichtleiter 20 üblichen
Dimensionen hergestellt wird, kann man gegebenenfalls mehrere kürzere Lichtleiter
direkt hintereinander anordnen, um die gewünschte Länge zu erzielen, wie dies in
der 5 angedeutet ist. Die Verbindung zwischen den
einzelnen Lichtleiterteilen kann zum Beispiel durch eine mechanische
Kopplung erfolgen. Die einzelnen Teillichtleiter können optisch
angekoppelt werden über
Ansprengen, Immersion, LTB (Low Temperature Bonding).
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Da
Magnesiumfluorid nicht gut ansprengbar ist, können die einzelnen Teile auch
durch eine UV-durchlässige
Immersion 28, wie in der 4 angedeutet,
miteinander optisch gekoppelt werden. Die optischen Achsen der einzelnen
Stabteile 20 liegen alle in einer Richtung und zwar senkrecht
zur gemeinsamen Stabachse. Der elektrische Vektor des linear polarisierten
Lichts steht auch hier unter 0°C oder
90°C zu
den Kanten der Ein- und Austrittsflächen 22 und 24,
falls diese senkrecht aufeinander stehen. Damit man stets gleiche
Dicken bekommt, sollte man die Stabteile 20 gemeinsam bearbeiten.
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In
der 6 ist ein Lichtleiter aus einem optisch einachsigen
Kristall, zum Beispiel Magnesiumfluorid, dargestellt, an den sich
ein zweiter Lichtleiter 29 aus isotropem Material, zum
Beispiel Siliziumdioxid anschließt. Wie ersichtlich ist der
zweite Lichtleiter 29 ein Kuchen- bzw. Zylindersegment
in seiner Form, wobei sich der Zylinderbogenabschnitt 30 auf der
von der Austrittsseite 24 des ersten Lichtleiters 20 abgewandten
Seite befindet. Wie ersichtlich ist der zweite Lichtleiter 29 auf
der dem Zylinderbogenabschnitt 30 gegenüberliegenden Seite mit einer Stirnseite
ausgebildet, die in etwa doppelt so groß ist wie die Austrittsseite 24 des
ersten Lichtleiters. Zwischen der Austrittsseite 24 des
ersten Lichtleiters und einem Eintrittsabschnitt 31 des
zweiten Lichtleiters 29 in gleicher Größe kann wiederum ein refraktives oder
diffraktives optisches Element 25 angeordnet sein.
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Mit
dem ersten Lichtleiter 20 erfolgt praktisch eine Lichtleitaufwertung
in eine Raumrichtung und im zweiten Lichtleiter 29, für den isotropes
Material verwendet werden kann, erfolgt eine Erhöhung des Lichtleitewertes in
eine weitere Raumrichtung. Auf diese Weise hat man praktisch eine
Lichtleiterhöhung in
zwei Raumrichtungen erhalten.
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Ein
zweiter Stirnseitenabschnitt 32 des zweiten Lichtleiters 29 ist
für den
Austritt der Lichtstrahlen nach einer Totalreflexion an dem Zylinderbogenabschnitt 30 vorgesehen.
Zur weiteren Strahlumlenkung kann sich an den Stirnseitenabschnitt 32 ein Prisma 33 oder
ein Spiegel anschließen.
Bevorzugt erhalten das Prisma oder der Spiegel einen phasenkorrigierenden
Belag um den Polarisationszustand des abgelenkten Lichtes zu erhalten.
Auch bei dieser Ausgestaltung liegt nach dem Durchgang durch die beiden
Lichtleiter 20 und 29 am Ausgang weiterhin polarisiertes
Licht vor.
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Bei
beiden Lichtleitern 20 und 29 sollten die Kanten
bzw. Wände
gut reflektierend ausgebildet sein. Dies gilt insbesondere für den Zylinderbogenabschnitt 30 mit
einer entsprechend verspiegelten Fläche. Die verspiegelte Fläche ist
für das
Winkelspektrum bevorzugt phasenkorrigierend und damit Polarisationserhaltend.
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Die
beiden refraktiven oder diffraktiven optischen Elemente 23 und 25 sollten
so ausgebildet sein, dass zum Beispiel das optische Element am Eingang
nur eine Ablenkung in y-Richtung und das optische Element am Ausgang
nur eine Ablenkung in x-Richtung
bewirkt.
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Mit
dem zweiteiligen Aufbau der Lichtleiter 20 und 29 ist
es möglich,
sehr gut in einer Hälfte
mit doppelbrechenden einachsigen Kristallen zu arbeiten. Während isotrope
Gläser
und Kieselglas durch Strahlungsbelastung anisotrop werden und sich
lokale Kristallachsen in beliebiger Raumrichtung ausbilden, ist
die Kristallachse von doppelbrechenden, einachsigen Kristallen eindeutig
festgelegt. Wird ein solches Kristall thermisch hoch belastet, verteilt
er zusätzlich
die Wärme
durch seine gute bis sehr gute Wärmeleitfähigkeit
sehr gleichmäßig. Die
verbliebenen Wärmeunterschiede
erzeugen mechanische Spannungen, die eine zusätzliche Spannungsdoppelbrechung
in beliebiger Richtung bedeuten, diese bleibt in Summe gegenüber der
permanenten Doppelbrechung des Kristalls bedeutungslos.
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In
den 7 bis 11 sind verschiedene Ausgestaltungen
von Lichtleitern 20 in Zylinderform dargestellt.
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Licht,
welches aus der Beleuchtung kommt, fällt konvergent auf die Eintrittsfläche eines
runden bzw. zylinderförmigen
Lichtleiters. Die Eintrittsfläche 22a kann
gemäß 7 konkav
nach innen sphärisch geformt
sein, während
die Austrittsfläche
plan ist. Falls diese gekrümmt
ist, darf die numerische Apertur nicht zu groß beim Einkoppeln sein, damit
an der planen Austrittsfläche
keine Totalreflexion auftritt. Bei dieser Ausgestaltung bleibt die
tangentiale oder radiale Polarisation erhalten.
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Anstelle
einer konkaven Eintrittsfläche,
wie in der 7 dargestellt, können die
einfallenden Lichtstrahlen auch auf eine Kegelfläche 22b, wie in der 8 dargestellt,
treffen. Die 9 zeigt eine konkav nach innen
gerichtete Eintrittsfläche,
die in einer Ringstruktur 22c ausgebildet ist.
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Die 10 zeigt
eine Ausführungsform
mit einer sphärisch
nach außen
gerichteten Eintrittsfläche 22d,
die mit einer glatten Oberfläche
oder ebenfalls in einer Ringstruktur (wie dargestellt) ausgebildet
sein kann.
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Anstelle
von sphärischen
Eintrittsflächen, wie
in den 7 bis 10 dargestellt, kann auch die
Eintrittsfläche
bei einem runden bzw. zylinderförmigen
Lichtleiter 20 plan verbleiben, wenn das einfallende Licht
vorher schon "axial" aufbereitet wurde. Dies
kann zum Beispiel durch ein vorgeschaltetes Axikon 34 erfolgen.