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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung und ein
optisches Verfahren zur Homogenisierung von Laserstrahlung, die
insbesondere zu Beleuchtungszwecken in optischen Geräten eingesetzt
werden soll.
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Bekannt
ist es beispielsweise, daß unter
Verwendung bewegter Teile eine stetige Variation einer specklebehafteten
räumlichen
Intensitätsverteilung generiert
und diese durch zeitliche Integration (entsprechend lange Belichtungszeiten
durch Auge oder Kamera) geglättet
wird. Eine solche zeitliche Mittelung kann jedoch nicht für den Einzelpulsbetrieb
bei beispielsweise Excimerlasern eingesetzt werden.
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In
der
DE 101 48 167
A1 wird die gewünschte
Homogenisierung und die gewünschte
Speckleunterdrückung
ohne zeitliche Mittelung erreicht. Nachteilig ist hierbei jedoch,
daß sich
das Strahlprofil der Quelle auf die Ausleuchtung in der Pupillenebene
der Beleuchtung niederschlägt,
wobei unter Pupille hier die Intensitätsverteilung über das
Winkelspektrum des in die Feldebene des Beleuchtungssystems einfallenden
Strahlenbündels
verstanden wird.
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Ausgehend
hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine optische Vorrichtung
und ein optisches Verfahren zur Homogenisierung von Laserstrahlung bereitzustellen,
mit denen auch die Ausleuchtung in der Pupillenebene möglichst
gleichmäßig ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe gelöst durch
eine optische Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung,
mit zwei hintereinander angeordneten Homogenisierungsmodulen und
einem dazwischen angeordneten Kohärenzminderungsmodul, wobei
das erste Homogenisierungsmodul die Laserstrahlung in lateral zueinander
inkohärente
Teilstrahlen aufteilt und diese als kollimierte Teilstrahlen mit
unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen zu einem ersten Laserstrahlenbündel überlagert
und dem Kohärenzminderungsmodul
zuführt,
das dem ersten Laserstrahlenbündel
unterschiedliche Phasenverschiebungen in Abhängigkeit der Position im Strahlquerschnitt
einprägt,
um die laterale Kohärenz
des ersten Laserstrahlenbündels
zu verringern, und es als zweites Laserstrahlenbündel dem zweiten Homogenisierungsmodul
zuführt,
das eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Optikelementen
aufweist, die jeweils jeden auf sie treffenden Teilstrahl des zweiten
Laserstrahlenbündels
in eine der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls entsprechende Position
in einer Pupillenebene des zweiten Homogenisierungsmoduls fokussieren,
so daß eine
homogen ausgeleuchtete Pupille vorliegt, die mit einer Optikeinheit
des zweiten Homogenisierungsmoduls in die Feldebene des zweiten
Homogenisierungsmodul transformierbar ist.
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Mit
dieser Vorrichtung wird vorteilhaft erreicht, daß die Inhomogenität des zu
homogenisierenden Laserstrahls sich nur noch in den Foki jeweils eines
einzelnen Optikelementes niederschlägt. Nachdem jedoch die Energieverteilung
in den Foki für
jedes Optikelement gleich ist, ist die globale Energieverteilung
in der Fokusebene (nahezu) unabhängig
von den Inhomogenitäten
der zu homogenisierenden Laserstrahlung. Damit wird eine ausgezeichnet
homogen ausgeleuchtete Pupille erreicht, so daß in der Fokus- bzw. Pupillenebene
auch von der Kreisform abweichende Pupillenblenden angeordnet werden
können,
die immer noch äußerst homogen
ausgeleuchtet sind.
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Das
erste Homogenisierungsmodul kann die Teilstrahlen in einer Ausgangsebene
zum ersten Laserstrahlenbündel überlagern,
wobei die Optikelemente des zweiten Homogenisierungsmoduls in einer
zur Ausgangsebene konjugierten Ebene liegen. Somit dient das erste
Homogenisierungsmodul zur Beleuchtung des zweiten Homogenisierungsmoduls.
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Insbesondere
kann das erste Homogenisierungsmodul als abbildender Wabenkondensor
ausgebildet sein. Damit ist es möglich,
die Laserstrahlung in überlagerte,
kollimierte und inkohärente
Teilstrahlen mit unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen umzuwandeln.
Durch die unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen kann eine Vervielfachung
der Foki in der Fokusebene des zweiten Homogenisierungsmoduls erreicht
werden. Ferner wird noch vorteilhaft erreicht, daß die Optikelemente
des zweiten Homogenisierungsmoduls gleichmäßig ausgeleuchtet werden, da
die kollimierten Teilstrahlen der zugeführten Laserstrahlung überlagert
sind.
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Die
Optikelemente und die Optikeinheit des zweiten Homogenisierungsmoduls
können
als abbildender Wabenkondensor ausgebildet sein. Damit wird eine
ausgezeichnete Pupillenfüllung
in der Fokusebene des zweiten Homogenisierungsmoduls erreicht.
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Insbesondere
können
die Optikelemente als Linsen oder als beugende Elemente ausgebildet sein.
Man kann die Optikelemente dann auch als Multiaperturoptik bezeichnen,
die beispielsweise als Mikrolinsen- oder Lochmaskenarray ausgebildet
ist. Die Form der Subaperturen bestimmt die Form der Beleuchtung
in der Feldebene.
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Insbesondere
kann die optische Vorrichtung in der Pupillenebene des zweiten Homogenisierungsmoduls
eine Pupillenblende aufweisen, die eine von der Kreisform abweichende
Form umfaßt.
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Zwischen
dem Kohärenzminderungsmodul und
dem ersten und/oder zweiten Homogenisierungsmodul kann (jeweils)
eine 1:1-Abbildungsoptik angeordnet sein. Die 1:1-Abbildungsoptik kann
als 4f-Abbildungsoptik ausgebildet sein.
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Das
Kohärenzminderungsmodul
ist bevorzugt so ausgebildet, daß sich die unterschiedlichen Phasenverschiebungen
um mindestens der zeitlichen Kohärenzlänge der
zu homogenisierenden Laserstrahlung unterscheiden.
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Die
Vorrichtung kann insbesondere in der Beleuchtung von Mikroskopen
und bei Vorrichtungen zur Maskensimulation für die Halbleiterindustrie eingesetzt
werden.
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Die
Aufgabe wird ferner gelöst
durch ein optisches Verfahren zur Homogenisierung von Laserstrahlung,
bei dem die Laserstrahlung in lateral zueinander inkohärente Teilstrahlen
aufteilt und diese als kollimierte Teilstrahlen mit unterschiedlichen
Ausbreitungsrichtungen zu einem ersten Laserstrahlenbündel überlagert
werden, dem ersten Laserstrahlenbündel unterschiedliche Phasenverschiebungen
in Abhängigkeit
der Position im Strahlquerschnitt eingeprägt werden, um somit ein zweites
Laserstrahlenbündel
mit verringerter lateralen Kohärenz
zu erzeugen, und bei dem jede Subapertur einer Multiaperturoptik
jeweils jeden auf sie treffenden Teilstrahl des zweiten Laserstrahlenbündels in
eine der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls entsprechenden Position
in einer Pupillenebene fokussiert, so daß eine homogen ausgeleuchtete
Pupille vorliegt.
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Mit
diesem Verfahren ist es möglich,
eine quasi kontinuierlich gefüllte
und äußerst homogen ausgeleuchtete
Pupille zu erzeugen. Solche homogen ausgeleuchteten Pupillen können zur
Beleuchtung in optischen Geräten,
insbesondere in Mikroskopen und in Vorrichtungen zur Maskensimulation
für die
Halbleiterindustrie eingesetzt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnungen
noch näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Ausführungsform
der optischen Vorrichtung zur Homogenisierung von Laserstrahlung;
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2 eine
Detailansicht des ersten Homogenisierungsmoduls 2 von 1;
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3 eine
perspektivische Darstellung zur Erläuterung der lateralen und zeitlichen
Kohärenzlänge;
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4 eine
Querschnittsdarstellung des vom ersten Array 6 kommenden
Laserstrahlenbündels;
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5 eine
detaillierte Darstellung des zweiten Homogenisierungsmoduls 3 von 1;
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6 und 7 Darstellungen
zur Erläuterung
der Foki in der Pupillenebene P von 5;
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8 eine
perspektivische Detaildarstellung der Vorrichtung von 1,
und
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9 eine
Darstellung einer 4f-Abbildungsoptik.
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Bei
der in 1 gezeigten Ausführungsform umfaßt die optische
Vorrichtung zum Homogenisieren von Laserstrahlung einen Laser 1 (hier
ein ArF-Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 193 nm), ein erstes
und ein zweites Homogenisierungsmodul 2, 3, die
jeweils als abbildender Wabenkondensor ausgebildet sind, sowie ein
Kohärenzminderungsmodul 4,
das zwischen den beiden Homogenisierungsmodulen 2, 3 angeordnet
ist.
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Der
Laser 1 gibt Laserstrahlung ab (Pfeil P1), die mittels
der Homogenisierungsmodule 2 und 3 und dem Kohärenzminderungsmodul 4 homogenisiert wird
und mit der dann eine Beleuchtungsebene 5 gleichmäßig beleuchtet
werden kann.
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Zur
Erläuterung
der Funktionsweise der optischen Vorrichtung zum Homogenisieren
von Laserstrahlung wird zunächst
das Kohärenzminderungsmodul 4 nicht
berücksichtigt.
Somit umfaßt
die optische Vorrichtung zwei hintereinander geschaltete abbildende
Wabenkondensoren 2, 3, wobei der zweite Wabenkondensor 3 mit
dem homogenisierten Feld des ersten Wabenkondensors 2 beleuchtet
wird.
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In 2 ist
ein schematischer Aufbau des ersten Wabenkondensors 2 gezeigt.
Der Wabenkondensor 2 umfaßt zwei hintereinander angeordnete Mikrolinsenarrays 6, 7 sowie
eine Kondensorlinse 8. Das Mikrolinsenarray 6 umfaßt eine
Vielzahl von in Zeilen und Spalten angeordneten Mikrolinsen 9,
deren Größe so gewählt ist,
daß sie
zumindest so groß wie
die laterale Kohärenzlänge des
einfallenden Laserstrahlenbündels
P1 ist. Bevorzugt weisen die Mikrolinsen 9 eine gekreuzte
Zylinderlinsenstruktur auf oder sind als Kissenlinsen ausgebildet.
Dies führt
zur einem hohen Flächenfüllfaktor
bei einem rechteckigen Querschnitt der Laserstrahlung P1. Der Linsenpitch
(= Abstand der Linsenmittelpunkte zweier unmittelbar benachbarter
Linsen) ist bevorzugt sehr viel größer als die laterale Kohärenzlänge der
Laserstrahlung P1. Das zweite Array 7 weist Linsen 10 auf und
ist bevorzugt gleich wie das erste Array 6 aufgebaut. Das
zweite Array 7 ist das abbildende Array des Wabenkondensors 2.
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Wie
aus der perspektivischen Darstellung des Laserstrahlenbündels P1
in 3 ersichtlich ist, wird unter der lateralen Kohärenzlänge die
Kohärenzlänge im Strahlquerschnitt
verstanden. Dies beschreibt den Abstand D1 bzw. D2 zweier Teilstrahlen in
x- bzw. y-Richtung im Strahlquerschnitt, den die Teilstrahlen mindestens
aufweisen müssen,
um nicht mehr miteinander interferenzfähig zu sein. Entsprechend wird
unter zeitlicher Kohärenzlänge der
entsprechende Abstand D3 in Ausbreitungsrichtung der Laserstrahlung
verstanden. Die laterale Kohärenzlänge (die
mit jeder Querschnittsänderung
der Laserstrahlung mitskaliert) beträgt bei dem hier verwendeten
ArF-Lasers ca. 1/10 des Strahlquerschnitts am Laserausgang. Die
zeitliche Kohärenzlänge beträgt ca. 100 μm.
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Mit
dem Wabenkondensor 2 von 2 wird somit
die einfallende Laserstrahlung P1 in lateral zueinander inkohärente Teilstrahlen
T1, T2 aufgeteilt, die als kollimierte Teilstrahlen T1, T2 in der
Ausgangsebene 12 des ersten Wabenkondensors 2 überlagert
werden. Die überlagerten
Teilstrahlen T1 und T2 weisen dabei unterschiedliche Ausbreitungsrichtungen,
wie durch die Pfeile R1 und R2 angedeutet ist, sowie bevorzugt die
gleiche Querschnittsfläche
in der Ausgangsebene 12 auf. Die auf die Ausgangsebene
treffende Laserstrahlung bildet das erste Laserstrahlenbündel P2.
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In 2 sind
lediglich zwei Teilstrahlen zur Vereinfachung der Darstellung eingezeichnet.
Für die nachfolgende
Beschreibung wird jedoch angenommen, daß die Laserstrahlung in 9 Teilstrahlen
(3 × 3 Teilstrahlen)
aufgeteilt wird, wie in 4, das eine Querschnittsdarstellung
der das Mikrolinsenarray 6 verlassenden Laserstrahlung
zeigt, schematisch dargestellt ist. Für jeden Teilstrahl T1, T2,
T3, ... T9 ist im ersten Mikrolinsenarray 6 eine Mikrolinse 9 vorgesehen,
die entsprechend in einer 3 × 3-Matrix
angeordnet sind.
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Wie
nachfolgend noch beschrieben wird, wird mittels des Kohärenzminderungsmodul 4 die Ausgangsebene 12 des
ersten Wabenkondensors 2 in die Eingangsebene des zweiten
Wabenkondensors 3 abgebildet, der wiederum zwei Mikrolinsenarrays 14 und 15 aufweist (5).
Die Mikrolinsenarrays 14 und 15 weisen eine Vielzahl
von in Zeilen und Spalten angeordneten Mikrolinsen 16, 17 auf.
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Nachdem
die Teilstrahlen T1–T9
auf das gesamte Mikrolinsenarray 14 treffen, fokussiert
jede der Linsen 16 (zusammen mit den Linsen 17 des
Linsenarrays 15) den entsprechenden auf die Linsen 16 treffenden
Teil der Teilstrahlen T1–T9
in eine dem Linsenarray 15 nachgeordnete Fokusebene P.
Da die Ausbreitungsrichtungen R1, R2 der Teilstrahlen T1–T9 voneinander
verschieden sind, liegen die Foki in der Fokusebene P etwas voneinander
beabstandet. Jede Linse 16 erzeugt so viele Foki wie Teilstrahlen
mit unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen R1, R2 auf das Linsenarray 14 treffen
(hier also 9).
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Wenn
man 3 × 3
Linsen 16 des Linsenarrays 14 betrachtet, werden
im Vergleich zu dem Fall, bei dem nur ein einziges kollimiertes
Strahlenbündel
auf das Mikrolinsenarray 14 trifft, nicht nur neun Foki
FP1 (in 6 sind die Foki als schwarze
Kreise, von denen nur einer mit einem Bezugszeichen bezeichnet ist,
in einer Draufsicht auf die Fokusebene P dargestellt), sondern 81
Foki in der Fokusebene P erzeugt (7). Diese
Foki können
mit der Kondensorlinse 18 des zweiten Wabenkondensors 3 in
die Beleuchtungsebene 5 abgebildet werden und diese gleichmäßig beleuchten.
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Die
Foki jeder Linse 16 bilden eine Fokusgruppe F1 (in 7 ist
eine Fokusgruppe F1 mit einer gestrichelten Umrandung dargestellt),
wobei nur noch in jeder Fokusgruppe F1 die Energieverteilung von
der ursprünglichen
Laserstrahlung (z. B. dessen Inhomogenitäten), die auf den ersten Wabenkondensor 2 trifft,
abhängt.
Die globale Energieverteilung (die Energieverteilung der Fokusgruppen
F1 zueinander) ist jedoch (nahezu) unabhängig von Inhomogenitäten der
ursprünglichen
Laserstrahlung, so daß in
der Fokus- bzw. Pupillenebene P eine äußerst homogene Energieverteilung
vorliegt. Es ist daher möglich,
in der Pupillenebene P auch von der Kreisform abweichende Pupillenblenden
vorzusehen, die immer noch äußerst homogen
ausgeleuchtet sind.
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Die
Linsen 16 bzw. deren Form der Öffnung für die vom Kohärenzminderungsmodul 4 kommende Laserstrahlung
bestimmt die Form des Feldes in der Beleuchtungsebene 5.
Wenn die Linsen z.B. eine kreisringförmige Außenkontur aufweisen, ist das
Feld kreisförmig.
Bei einer rechteckigen Außenkontur
der Linsen, ist das Feld rechteckförmig.
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Durch
den ersten Wabenkondensor 2 wird in der Ausgangsebene 12 die
laterale Kohärenzlänge bezogen
auf den Bündelquerschnitt
stark erhöht,
weil durch das Prinzip des Wabenkondensors kleine Bereiche des Querschnitts
des ursprünglichen
Laserstrahlenbündels
auf den vollen Querschnitt des ausgehenden Strahlenbündels aufgezogen
werden. Ohne eine Kohärenzminderung
des vom ersten Wabenkondensors 2 kommenden ersten Laserstrahlenbündels P2
würde dies
zu einer ausgeprägten
Vielstrahlinterferenz in der Beleuchtungsebene 5 führen. Daher
ist zwischen beiden Wabenkondensoren 2, 3 das
Kohärenzminderungsmodul 4 angeordnet,
das durch Verminderung der zeitlichen Kohärenz des ersten Strahlenbündels P2
eine Verringerung der lateralen Kohärenz bewirkt. Dazu werden dem
einfallenden ersten Strahlenbündel
P2 in Abhängigkeit
der Position im Strahlquerschnitt unterschiedliche Phasenverschiebungen
eingeprägt,
so daß das
ausfallende Strahlenbündel
(zweites Laserstrahlenbündel P3)
im Strahlquerschnitt zueinander inkohärente Teilbereiche aufweist.
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Das
Kohärenzminderungsmodul
kann beispielsweise zwei Stufenspiegel aufweisen, wie sie in der
DE 101 48 167 A1 beschrieben
sind.
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Die
gesamte optische Vorrichtung ist in 8 perspektivisch
dargestellt. Das Kohärenzminderungsmodul 4 umfaßt hier
zwei Stufenspiegel 19, 20, die so angeordnet sind,
daß sie
dem Strahlenbündel
unterschiedliche Phasenverschiebungen in x-Richtung (im Strahlquerschnitt)
und in y-Richtung einprägen.
Dazu weisen die beiden Stufenspiegel 19, 20 unterschiedliche
Stufenhöhen
auf. Die Feld- bzw. Ausgangsebene 12 des ersten Wabenkondensors 2 fällt mit
dem ersten Stufenspiegel 18 zusammen. Wie anhand der eingezeichneten
Referenzebene E zu sehen ist, führt
die Reflexion an den beiden Stufenspiegeln 19, 20 zu
der gewünschten
zeitlichen Verschiebung der miteinander interterierbaren Abschnitte
Pfeile E1, E2. Dies führt
dazu, daß die
zu einem Zeitpunkt auf die verschiedenen Linsen 16 des
Linsenarrays 14 treffende Laserstrahlung (zweites Laserstrahlenbündel) zueinander
inkohärent
ist, so daß die
unerwünschte
Vielstrahlinterferenz in der Beleuchtungsebene 5 nicht
auftritt.
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Bevorzugt
ist zwischen dem ersten Wabenkondensor 2 und dem Kohärenzminderungsmodul 4 sowie
zwischen dem Kohärenzminderungsmodul 4 und
dem zweiten Wabenkondensor 3 jeweils eine 4f-Abbildungsoptik 21 (9)
angeordnet, die zwei Optikgruppen 22, 23 umfaßt, die
jeweils eine objekt- und bildseitige Brennweite f aufweisen. Hier
umfaßt jede
Optikgruppe 22, 23 jeweils eine Linse. Die beiden
Optikgruppen bzw. Linsen 22, 23 sind um 2f voneinander
beabstandet. Der Abstand der Ausgangsebene 12 bzw. des
zweiten Stufenspiegels 20 zur ersten Linse 22 beträgt f und
der Abstand der zweiten Linse 23 zum ersten Stufenspiegel 19 bzw.
zur Eingangsebene des zweiten Wabenkondensors 3 beträgt f. Durch
die 4f-Abbildungsoptiken 21 wird
vorteilhaft sichergestellt, daß trotz
der Divergenz des ersten Laserstrahlenbündels und Fresnelbeugung an den
optischen Elementen der Module 2, 3 die nicht mehr
untereinander interferenzfähigen
Abschnitte (siehe E2 in 8) im zweiten Laserstrahlenbündel P2
auf die zugeordneten Linsen 16 treffen.