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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Homogenisier- und Strahlformvorrichtung.
Eine solche Vorrichtung wird häufig
bei Mikroskopbeleuchtungen eingesetzt, um eine gewünschte geometrische
Intensitätsverteilung
eines Strahlenbündels
in einer Pupillenebene (beispielweise mit dem Ziel einer Auflösungssteigerung)
zu erreichen. Dazu wird in der Regel eine Blende entsprechend angeordnet,
die unerwünschte
Abschnitte des Strahlenbündels
abschattet. Dies führt
nachteilig dazu, daß die
Beleuchtungsintensität
sinkt.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Homogenisier- und Strahlformvorrichtung zur
Verfügung
zu stellen, mit der eine gewünschte geometrische
Intensitätsverteilung
des Strahlenbündels
in einer vorbestimmten Ausgangsebene mit geringerem Intensitätsverlust
als bisher erzeugt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe gelöst durch
eine Homogenisier- und Strahlformvorrichtung mit einer ersten Optik,
einem der ersten Optik nachgeordneten Linsenarray, das eine Mehrzahl
von Linsen umfaßt,
deren Brennpunkte in einer Brennebene zwischen der ersten Optik
und dem Linsenarray liegen, und einer dem Linsenarray nachgeordneten zweiten
Optik, wobei die erste Optik ein einfallendes optischen Strahlenbündel so
aufteilt, daß in
der Brennebene eine vorbestimmte geometrische Grundverteilung der
Strahlintensität
periodisch wiederholt vorliegt und jeder Linse des Linsenarrays
eine der Grundverteilung zugeordnet ist, wobei jede Linse die ihr
zugeordnete Grundverteilung zusammen mit der zweiten Optik in einer
der zweiten Optik nachgeordneten Ausgangsebene so abbildet, daß alle Grundverteilungen überlagert
abgebildet sind, wodurch in der Ausgangsebene eine einzige, den
Grundverteilungen entsprechende Intensitätsverteilung vorliegt.
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Damit
kann mit einfachen Mitteln die gewünschte Intensitätsverteilung
in der Ausgangsebene erreicht werden.
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Insbesondere
ist es möglich,
einen herkömmlichen
abbildenden Wabenkondensor mit zwei Linsenarrays und einer zweiten
Optik dadurch als Homogenisier- und Strahlformvorrichtung auszubilden,
daß das
weiter von der zweiten Optik entfernte Linsenarray entfernt und
statt dessen die erste Optik entgegen der Strahlrichtung zurückgesetzt
so vorgesehen wird, daß die
periodisch wiederholt vorliegenden Grundverteilungen in der eingangsseitigen
Brennebene des Linsenarrays erzeugt werden. Damit wird so wenig
wie möglich
in den Gesamtaufbau eines schon vorhandenen abbildenden Wabenkondensors
eingegriffen, was vorteilhaft bei bestehenden Systemen ist. Ferner
ist es möglich,
die erste Optik austauschbar vorzusehen, wobei verschiedene ausgebildete
erste Optiken vorhanden sind, so daß durch Auswechseln der ersten
Optik die gewünschte Intensitätsverteilung
in der Ausgangsebene verändert
werden kann.
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Als
gewünschte
Intensitätsverteilungen
sind beispielsweise kreisringförmige
Intensitätsverteilungen
sowie Dipol-, Multipol-, Disar- und Quasar-Intensitätsverteilungen
zu nennen.
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Bei
der Vorrichtung kann die erste Optik als Optikarray mit einer Mehrzahl
von Optikelementen ausgebildet werden, wobei zur Erzeugung jeder Grundstruktur
in der Brennebene jeweils mindestens eines der Optikelemente dient.
Alle Optikelemente können
gleich ausgebildet sein. Insbesondere können refraktive und/oder diffraktive
Optikelemente eingesetzt werden. Wesentlich ist nur, daß die Optikelemente
die gewünschte
Grundverteilung der Strahlungsintensität in der Brennebene erzeugen.
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Insbesondere
kann zur Erzeugung jeder Grundstruktur jeweils genau eines der Optikelemente des
Optikarrays dienen. In diesem Fall ist es bevorzugt, daß die Optikelemente
in gleicher Weise angeordnet sind, wie die Linsen des Linsenarrays,
wobei insbesondere die Anzahl der Optikelemente der Anzahl der Linsen
entspricht.
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Die
Optikelemente und Linsen können
in gleicher Weise periodisch wiederholt angeordnet seien. Dabei
kann beispielsweise eine orthogonale oder hexagonale Anordnung gewählt werden.
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Wenn
refraktive Optikelemente eingesetzt werden, weisen diese bevorzugt
jeweils eine gekrümmte
Seite auf, deren Krümmung
weder eine Sphäre
noch eine Asphäre
ist. Insbesondere kann die Krümmung
auch nicht rotationssymmetrisch sein. In diesem Fall wird die Krümmung der
Seite als Freiformfläche
bezeichnet.
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Die
Optikelemente können
jeweils eine diffraktive Struktur aufweisen. Diese diffraktive Struktur kann
nur auf einer Seite der Optikelemente vorgesehen sein. Insbesondere
ist es dann möglich,
daß auf der
anderen Seite der Optikelemente eine refraktive Struktur bzw. Formgebung
vorliegt.
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Ferner
kann die Vorrichtung noch ein Homogenisiersystem aufweisen, das
der Ausgangsebene nachgeordnet ist, wobei die Ausgangsebene der
Pupillenebene der nachgeordneten Homogenisiereinrichtung entspricht,
wodurch in der Feldebene (also der zur Pupillenebene konjugierten
Ebene) des Homogenisiersystems eine gleichmäßige Intensitätsverteilung
mit der durch die Intensitätsverteilung
in der Pupillenebene vorgegebenen Winkelverteilung vorliegt. Das
Homogenisiersystem kann insbesondere ein herkömmlicher abbildender Wabenkondensor mit
zwei Linsenarrays und einer Kollimatoroptik sein. Der Abstand der
Linsenarrays ist bevorzugt so gewählt, daß das erste Linsenarray, das
weiter von der Kollimatoroptik beabstandet ist als das zweite Linsenarray,
vom zweiten Linsenarray um die Brennweite der Linsen des zweiten
Linsenarrays beabstandet ist. Ferner kann das Homogenisiersystem
auch diffraktiv ausgebildet sein.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
mit Homogenisiersystem dient insbesondere als Beleuchtungsvorrichtung,
wie z.B. als Mikroskop-Beleuchtungsvorrichtung.
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Ferner
wird noch ein Homogenisier- und Strahlformverfahren für eine oben
beschriebene Homogenisier- und Strahlformvorrichtung bereitgestellt, bei
dem das einfallende optische Strahlenbündel mittels der ersten Optik
so aufgeteilt wird, daß in
der Brennebene eine vorbestimmte geometrische Grundverteilung der
Strahlintensität
periodisch wiederholt vorliegt und jeder Linse des Linsenarrays
eine der Grundverteilungen zugeordnet ist, wobei jede Linse die
ihr zugeordnete Grundverteilung zusammen mit der zweiten Optik in
eine der zweiten Optik nachgeordnete Ausgangsebene so abbildet,
daß alle Grundverteilungen überlagert
abgebildet werden, wodurch in der Ausgangsebene eine einzige, den Grundverteilungen
entsprechende Intensitätsverteilung
vorliegt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann so weitergebildet werden, daß der Ausgangsebene ein weiteres
Homogenisiersystem nachgeordnet ist, dessen Pupillenebene mit der
Ausgangsebene zusammenfällt,
so daß in
der Feldebene des Homogenisiersystems eine gleichmäßige Ausleuchtung
mit einer durch die Intensitätsverteilung
in der Pupillenebene vorgegebenen Winkelverteilung vorliegt. Es
liegt somit ein homogenisiertes Feld sowie eine geformte Beleuchtungspupille
vor. Dies ist bei abbildenden Anwendungen, wie z.B. in der Mikroskopie,
von Vorteil.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhalber
noch näher erläutert, wobei
auch in den Zeichnungen erfindungswesentliche Merkmale offenbart
sind. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht der Homogenisier- und Strahlformvorrichtung
gemäß einer
ersten Ausführungsform;
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2 eine
Draufsicht der Optikelemente des Optikarrays 2 von 1;
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3 eine
Draufsicht der Linsen des Linsenarrays 4 von 1;
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4 eine
Draufsicht auf die Brennebene von 1 mit dem
periodisch erzeugten Grundstrukturen;
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5 eine
Draufsicht auf die Feldebene von 1 mit der
in der Feldebene erzeugten Intensitätsverteilung;
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6 eine
schematische Ansicht einer Homogenisiereinrichtung, die der Feldebene
in 1 nachgeordnet werden kann;
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7 eine
Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform des Optikarrays 2 mit
einer hexagonalen Anordnung der Optikelemente, und
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8 eine
Draufsicht einer alternativen Ausführungsform des Linsenarrays 4 von 1 mit
einer hexagonalen Anordnung der Linsen.
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Bei
der Ausführungsform
von 1 umfaßt die
Homogenisier- und Strahlformvorrichtung 1 ein Optikarray 2 mit
neun Optikelementen 3, ein dem Optikarray 2 nachgeordnetes
Linsenarray 4 mit neun Linsen 5 sowie eine dem
Linsenarray 4 nachgeordnete Kondensorlinse 6.
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Die
Optikelemente 3 sind jeweils so ausgebildet, daß sie aus
dem Teil eines kollimierten optischen Strahlenbündels 7, der auf sie
trifft, eine ringförmige
Intensitätsverteilung
in einer Brennebene B erzeugen. In der Brennebene B, die zwischen
dem Optikarray 2 und dem Linsenarray 4 ist, liegen
die eingangsseitigen Brennpunkte der Linsen 5 des Linsenarrays 4.
Nachdem das Optikarray 2 neun gleich ausgebildete Optikelemente 3 umfaßt, wird
das einfallende Strahlenbündel 7 in
neun periodisch angeordnete ringförmige Intensitätsverteilungen
(Grundstrukturen G) aufgeteilt, wie dies in 4 angedeutet ist.
Die periodische Anordnung der Grundstrukturen G entspricht der periodischen
Anordnung der Das Optikarray 2 ist hier so ausgebildet
und angeordnet, daß jeder
der erzeugten ringförmigen
Intensitätsverteilungen
G genau einer Linse 5 des Linsenarrays 4 zugeordnet
ist. Dies wird hier dadurch erreicht, daß die Optikelemente 3 des
Optikarrays 2 und die Linsen 5 des Linsenarrays 4 in
gleicher Weise periodisch angeordnet sind, hier in Zeilen und Spalten.
Dies ist so durchgeführt,
daß die
eingangsseitigen Brennpunkte des Linsenarrays 4 für ein gedachtes,
aus dem positiven Unendlichen kommendes Strahlenbündel (also von
rechts nach links in 1) in den Zentren der Grundstrukturen
G in der Brennebene liegen.
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Nachdem
die ringförmigen
Intensitätsverteilungen
G in der Brennebene B vorliegen, führt jede der Linsen 5 eine
Abbildung der entsprechenden ringförmigen Intensitätsverteilung
G nach Unendlich durch. In Verbindung mit der Kondensorlinse 6 erfolgt daher
eine deckungsgleiche überlagernde
Abbildung aller ringförmigen
Intensitätsverteilungen
G der Brennebene in eine der Kondensorlinse 6 nachgeordnete Ausgangsebene 8.
Damit liegt in der Ausgangsebene 8 wiederum eine ringförmige Intensitätsverteilung
R vor, wie dies in 5 angedeutet ist. Jedoch liegt aufgrund
der überlagernden
Abbildung nur eine einzige ringförmige
Intensitätsverteilung
R vor, die den ringförmigen
Intensitätsverteilungen
G in der Brennebene B entspricht.
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Da
die neun ringförmigen
Intensitätsverteilungen
G der Brennebene hier in der Ausgangsebene 8 überlagert
abgebildet werden, sind unerwünschte Intensitätsvariationen
innerhalb der ringförmigen Struktur
in der Ausgangsebene 8 im Vergleich zu den einzelnen Intensitätsverteilungen
G in der Brennebene B verringert, so daß eine Homogenisierung der
Intensitätsverteilung
R in der Ausgangsebene 8 vorliegt.
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Somit
kann mit der Homogenisier- und Strahlformvorrichtung aus einem kollimierten
optischen Strahlenbündel 7 eine
gewünschte
geometrische Grundstruktur erzeugt und aufgrund der Wirkung des
Linsenarrays 4 und der Kondensorlinse 6 eine gleichzeitige
Homogenisierung in der Ausgangsebene 8 erreicht werden.
Die Homogenisier- und Strahlformvorrichtung von 1 entspricht
im wesentlichen einem herkömmlichen
abbildenden Wabenkondensor. Der Unterschied zu dem herkömmlichen
Wabenkondensor besteht darin, daß das normalerweise in der
Brennebene B vorgesehene Linsenarray entfällt und durch das Optikarray 2 ersetzt
ist, das entgegen der Ausbreitungsrichtung des optischen Strahlenbündels 7 etwas
zurückgesetzt
ist, so daß die
Optikelemente 3 aus dem kollimierten Strahlenbündel 7 die
entsprechenden Intensitätsverteilungen
(Grundstrukturen) periodisch wiederholt in der Brennebene B erzeugen
können.
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Zur
Erzeugung der gewünschten
ringförmigen
Intensitätsverteilung
ist die Krümmung
der der Brennebene B zugewandten Seite der Optikelemente 3 entsprechend
gewählt.
Im Querschnitt gesehen entspricht die Kontur der Zahl 3 bzw.
kommt die Kontur zweier sich schneidender flacher Kreisbögen gleich,
wobei der Schnittpunkt der Mitte des Elements entspricht. Die Seite
weist also weder eine sphärische
noch eine asphärische
Krümmung
auf.
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Die
Ausgangsebene 8 der Homogenisier- und Strahlformvorrichtung
kann als Feldebene genutzt werden, z.B. zur Beleuchtung eines zu
untersuchenden Objekts in einem Mikroskop.
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Alternativ
ist es auch möglich,
daß die
Ausgangsebene 8 eine Pupillenebene 9 einer nachfolgenden
Optikeinrichtung 10 sein kann bzw. mit dieser zusammenfällt. Bei
dieser nachfolgenden Optikeinrichtung 10 kann es sich um
eine Homogenisiereinrichtung handeln, die z.B. als herkömmlicher
abbildender Wabenkondensor ausgebildet ist, wie dies in 6 gezeigt
ist (die Vorrichtung weist dann die Homogenisier- und Strahlformvorrichtung
von 1 sowie die Optikeinrichtung 10 von 6 auf).
In diesem Fall wird dann in der Feldebene 11 des Wabenkondensors 10 eine
entsprechend der Form der Linsen 12 des Linsenarrays gleichmäßige Ausleuchtung
erreicht, wobei jedoch die Winkelverteilung der einfallenden Strahlen
gemäß der ringförmigen Intensitätsverteilung
in der Ausgangsebene 8 gegeben ist. Eine solche Weiterbildung
kann beispielsweise bei Mikroskopen und insbesondere bei Maskeninspektionsmikroskopen
verwendet werden, bei denen die Beleuchtungsbedingungen eines Steppers
simuliert werden müssen.
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Die
Optikelemente 3 des Optikarrays können unter anderem so ausgebildet
sein, daß in
der Ausgangsebene eine Dipol-, Multipol-, Disar- oder Quasar-Intensitätsverteilung
vorliegt.
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Insbesondere
ist auch möglich,
daß jeweils mehrere
Optikelemente 3 eine Grundstruktur G in der Brennebene
B erzeugen und somit einer Linse 5 des Linsenarrays 4 zugeordnet
sind. So kann beispielsweise durch die Verwendung von vier Optikelementen 3,
die alle als herkömmliche
Linsen ausgebildet sind, eine Quatrupol-Intensitätsverteilung erzeugt werden.
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Die
Optikelemente 3 und die Linsen 5 sind in dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel
von 1 jeweils orthogonal periodisch angeordnet. Es
ist aber beispielsweise auch eine hexagonale periodische Anordnung
möglich
(7, 8). Dies ist insbesondere bei
einer kreisförmigen
Außenkontur
der Optikelemente 3 und der Linsen 5 von Vorteil,
da dies der dichtesten Packung entspricht, so daß die Totzonen zwischen den
Optikelementen 3 und den Linsen 5 minimiert sind.