DE2801882C2

DE2801882C2 -

Info

Publication number: DE2801882C2
Application number: DE2801882A
Authority: DE
Inventors: Abe Darien Conn. Us Offner
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1977-02-11
Filing date: 1978-01-17
Publication date: 1988-02-04
Also published as: GB1605160A; CH625055A5; IT7848011A0; CA1103498A; DE2801882A1; JPH0130125B2; FR2380563A1; JPS53100230A; GB1605161A; IT1101789B; FR2380563B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Spiegellinsensystem für den Abbildungsmaßstab 1 : 1, wobei Bild- und Gegenstandsfeld gegenüber der Symmetrieachse des Systems jeweils seitlich versetzt sind, mit wenigstens einem konvexen und einem konkaven Spiegel, die konzentrisch zu und in Längsrichtung der Symmetrieachse angeordnet sind, mit zu der Symmetrieachse senkrechten, konjugierten Ebenen und wenigstens zwei seitlich zur Symmetrieachse versetzt angeordneten Meniskuslinsen.

Ein solches Spiegellinsensystem ist bereits aus der SU-PS 1 26 911 bekannt geworden.

Derartige optische Systeme sind, neben dem Einsatz auf vielen anderen Gebieten - insbesondere für die Belichtung von Halbleiterplättchen geeignet, die mit einem Fotolack, also einem lichtempfindlichen Lack, beschichtet worden sind; ein solcher Arbeitsgang wird bei der Herstellung von integrierten Schaltungen zur Herstellung von sogenannten Chips benötigt.

Die vorliegende Erfindung steht in enger Beziehung zu dem ringförmigen Projektionssystem, wie es in der US-PS 37 48 015 beschrieben ist. In dieser Patentschrift wird ein katoptrisches System zur Erzeugung einer Abbildung eines Objektes mit der Vergrößerung 1 und hoher Auflösung in exakten Details im Mikromaßstab erläutert; dieses System zeichnet sich durch konvexe und konkave sphärische Spiegel aus, deren Krümmungszentren in einem einzigen Punkt zusammenfallen. Die Spiegel sind so angeordnet, daß sie innerhalb des Systems wenigstens drei Reflexionen erzeugen; sie werden in einem System mit ihren konjugierten Achspunkten an diesem Punkt eingesetzt und liefern zwei außeraxiale konjugierte Bereiche bzw. Flächen mit der Vergrößerung 1 in einer Ebene, welche die Krümmungsmitte enthält; die Achse des Systems ist eine Achse, die senkrecht zu der zuletzt erwähnten Ebene und durch diesen Punkt verläuft. Obwohl dieses optische System viele Merkmale und Vorteile hat, soll es mit der vorliegenden Erfindung verbessert werden, wie sich aus der weiteren Beschreibung ergibt.

Als weitere, dieses technische Gebiet betreffende Druckschriften sollen noch genannt werden: US-PS 38 21 763 vom 28. Juni 1974; US-PS 39 51 546 vom 20. April 1976; US-Patentanmeldung SN. 5 34 465 vom 19. Dezember 1974 und eine Continuation-Anmeldung der US-Patentanmeldung SN. 3 39 860 vom 9. März 1973.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Spiegellinsensystem der eingangs erwähnten Art anzugeben, bei dem die Bildfeldwölbung möglichst klein gemacht wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Krümmungsradius der konvexen Oberfläche der jeweiligen Meniskuslinse 16, 16′; 16 a, 16 a′; 16 c, 16 c′ größer als derjenige der konkaven Oberfläche und der Dicke der jeweiligen Meniskuslinse größer als der Unterschied der beiden Radien ist.

Es wird hierdurch ein Spiegellinsensystem geschaffen, bei dem die in Abhängigkeit von der Wellenlänge auftretende Bildfeldwölbung wesentlich verringert werden kann, so daß das System insgesamt über einen verhältnismäßig großen Spektralbereich eingesetzt werden kann. Gleichzeitig wird erreicht, daß die Breite des korrigierten Abbildungsrings praktisch um eine Größenordnung vergrößert wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird das Spiegellinsensystem derart ausgebildet, daß auf der Symmetrieachse des Spiegellinsensystems diesem gegenüberliegend ein weiteres Spiegellinsensystem mit Abbildungsmaßstab 1 : 1, welches einen weiteren konvexen und einen weiteren konkaven Spiegel, die im wesentlichen konzentrisch zu und in Längsrichtung der Symmetrieachse angeordnet sind, und gegenüber der Symmetrieachse seitlich nach verschiedenen Seiten in bezug auf dieses Symmetrieachse versetztes Bild- und Gegenstandsfeld sowie zu der Symmetrieachse senkrechte, konjugierte Ebenen aufweist, derart angeordnet ist, daß eine konjugierte Ebene des Spiegellinsensystems mit einer konjugierten Ebene des weiteren Spiegellinsensystems zusammenfällt, und daß jeweils eine der Meniskuslinsen in dem Strahlengang des Spiegellinsensystems und des weiteren Spiegellinsensystems angeordnet ist.

Die kleinen Aberrationen, die dadurch auftreten können, daß der Meniskus der jeweiligen Meniskuslinsen nicht genau konzentrisch ist, können dadurch kompensiert werden, daß der Abstand zwischen den Krümmungsmittelpunkten des konkaven und konvexen bzw. des weiteren konkaven und des weiteren konvexen Spiegels kleiner als ungefähr 2% der Länge des kürzeren Radius der beiden Spiegel ist.

Eine noch wesentlich verbesserte Ausführungsform ergibt sich dann, wenn zwischen dem Gegenstandsfeld bzw. dem Bildfeld und dem Spiegel wenigstens ein Korrekturlinsenelement angeordnet wird. Ein solches Korrekturlinsenelement dient der Farbkorrektur. Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform besteht dieses Korrekturlinsenelement aus einer im wesentlichen planparallelen Platte, die senkrecht zu der optischen Achse der Spiegel angebracht ist. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, eine der Flächen der planparallelen Platte asphärisch auszubilden, aber es kann in manchen Fällen auch zweckmäßig sein, wenn die planparallele Platte durch ein Meniskuselement gebildet wird, das senkrecht zu der optischen Achse der Spiegel angebracht wird.

Besteht das Spiegellinsensystem aus zwei Rücken an Rücken angeordneten Systemen mit dem Abbildungsmaßstab 1 : 1, so kann das Korrekturlinsenelement an der Zwischenbildstelle angeordnet werden oder es können auch Korrekturlinsenelemente in jeder Hälfte des so gebildeten Spiegellinsensystems angebracht werden.

Wird ein aus zwei Spiegellinsensystemen zusammengesetzten System verwandt, so kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Abstand von den beiden Spiegelelementen jeweils zu dem Zwischenbild größer sein als der Abstand zu der anderen, konjugierten Stelle in wenigstens einer Hälfte des Gesamtsystems.

Hierdurch werden die Stellen für das Objekt bzw. das Bild voneinander getrennt, so daß sie im Abstand voneinander liegen. Das Gesamtsystem kann gemäß einer anderen Ausführungsform jedoch auch so ausgebildet werden, daß der Abstand der beiden Spiegelelemente zu dem Zwischenbild kleiner als der Abstand zu der anderen, konjugierten Stelle in wenigstens einer Hälfte des Systems ist, wodurch gekreuzte Objekt- und Bildebenen gebildet werden. In diesem Falle wird bevorzugt eine optische Einrichtung mit Spiegelflächen zwischen den Objekt- und Bildstellen angeordnet, um die letzteren physikalisch zugänglich zu machen.

Weitere vorzugsweise Ausgestaltungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Im folgenden soll die Erfindung näher anhand von in der Zeichnung dargestellten vorzugsweisen Ausführungsbeispielen erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Darstellung eines optischen Systems, das gemäß dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist,

Fig. 2 eine Darstellung eines doppelten optischen Systems, wobei zwei optische Systeme, die dem System nach Fig. 1 ähneln, Rücken an Rücken, also nebeneinander angebracht sind,

Fig. 3 eine Darstellung eines optischen Systems, das dem System nach Fig. 2 ähnelt, bei dem jedoch die Forderung fallengelassen wurde, daß jede Hälfte eines Systems symmetrisch sein muß; dabei wurde jedoch das Gesamtsystem symmetrisch gehalten.

Fig. 4 eine Darstellung eines optischen Systems, das dem System nach Fig. 3 ähnelt, jedoch vereinfacht wurde, indem die beiden Farbkorrekturplatten zu einem einzigen Element mit der gleichen Form kombiniert werden und auf die planparallelen Platten für die Knickung des Strahlengangs, die zur Trennung des Objektes und des schließlich erhaltenen Bildes erforderlich sind, verzichtet wurde, indem die Schnittweiten der zwei Spiegelelemente ungleich gemacht wurden.

Fig. 5 bis 7 jeweils Darstellungen von weiteren Ausführungsformen optischer Systeme gemäß der Erfindung.

Fig. 8 eine Darstellung eines optischen Systems, das dem System nach Fig. 1 ähnelt, wobei jedoch eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist, und

Fig. 9 eine Darstellung der Änderung der Brennpunktslage als Funktion des Abstandes von der Achse und der Wellenlänge des zur Bilderzeugung verwendeten Lichtes.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform weist das neue und verbesserte optische System, das allgemein bei 10 angedeutet ist, zwei sphärische Spiegel, einen konvexen Spiegel 12 und einen konkaven Spiegel 14 auf, die so angeordnet sind, daß sich in dem System drei Reflexionen ergeben. Die Spiegel sind so angeordnet, daß ihre Krümmungsmittelpunkte längs der Achse SA des Systems liegen und ihre konjugierten Bereiche bzw. Flächen außeraxial an den Punkten O und I zentriert sind. Die Punkte O und I haben jeweils auf gegenüberliegenden Seiten den Abstand H von der Bezugsachse SA. In dem optischen System, wie es in Fig. 2 der US-PS 37 48 015 dargestellt ist, erzeugt der konkave Spiegel eine Abbildung des Objektes O in I; der konvexe Spiegel erzeugt eine virtuelle Abbildung des Punktes I an dem Punkt O, die wiederum durch den konkaven Spiegel I abgebildet wird. Die Breite des korrigierten Rings, die sich mit den optischen Systemen nach dieser Patentschrift erreichen läßt, wird durch den Astigmatismus fünfter Ordnung begrenzt, der aufgrund der Konstruktion dieses Systems nicht zu vermeiden ist. Der Astigmatismus höherer Ordnung ist auf die sphärische Aberration der Hauptstrahlen dieses Systems zurückzuführen.

Es können Linsen in Form von Meniskuselementen eingesetzt werden, um die sphärische Aberration der Hauptstrahlen parallel zu der optischen Achse zu verringern oder zu beseitigen. Wenn die Meniskuselemente konzentrisch zu den Spiegeln sind, führen sie keine Abbildungsfehler dritter Ordnung mit Ausnahme der Bildfeldwölbung ein, wenn sich die Konjugierten in dem gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt befinden.

Wie sich aus Fig. 1 ergibt, sind zwei symmetrisch angeordnete Meniskuselemente 16 vorgesehen, um die sphärische Aberration der Hauptstrahlen zu verringern. Die Meniskuselemente würden auch dann die sphärische Aberration der Hauptstrahlen verringern, wenn sie direkt in der Nähe des konvexen Spiegels 12 so angeordnet werden, daß die Oberfläche des Spiegels 12 und die konvexe Oberfläche der Meniskuselemente 16 Teile der gleichen Kugeloberfläche sind. Es läßt sich erkennen, daß der Astigmatismus höherer Ordnung wesentlich verringert worden ist, so daß die Breite des korrigierten Rings um eine Größenordnung zunimmt.

Eine notwendige Bedingung für das Fehlen der Bildfeldwölbung, das heißt, für eine flache, ebene Bildoberfläche, in dem sich ergebenen System ist, daß die Petzval-Summe im wesentlichen null ist; dabei wird der Brechungsindex einer reflektierenden Oberfläche für diese Berechnung als negativ definiert. Da sich der Brechungsindex der Meniskuselemente mit der Wellenlänge des zur Bilderzeugung verwendeten Lichtes ändert, führt die Einfügung dieser Elemente in das optische System zu einer Änderung der Bildfeldkrümmung mit der Wellenlänge. Wie in Fig. 9 dargestellt, führt dies wiederum zu einer Änderung der Brennpunktlage als Funktion des Abstandes von der Achse und als Funktion der Wellenlänge des zur Bilderzeugung verwendeten Lichtes. In einem optischen System mit ringförmigem Abbildungsbereich wird die Änderung mit dem Abstand von der Achse effektiv dadurch beseitigt, daß das Bildfeld bzw. der Abbildungsbereich auf einen Ring begrenzt wird, dessen Abstand von der Achse konstant ist. Die Änderung der Bildfeldkrümmung mit der Wellenlänge wird in einem solchen System zu einer Änderung der Brennpunktlage mit der Wellenlänge und kann durch die Einführung von Farbfehlern mit dem entgegengesetzten Sinn ausgeglichen werden. Um dies zu erreichen, weicht der Meniskus etwas von der exakten Konzentrizität ab, indem sein konvexer Krümmungsradius so ausgelegt wird, daß er kürzer ist als die Summe seines konkaven Radius und seiner Dicke. Das heißt also, daß seine Dicke größer als die Differenz zwischen den Radien seiner konvexen und konkaven Oberfläche ist. Im folgenden soll die Funktionsweise dieser Ausführungsform erläutert werden:

Die Änderung der Bildfeldkrümmung mit der Wellenlänge, die durch einen nahezu konzentrischen Meniskus eingeführt wird, dessen Brechkraft negativ ist, verläuft so, daß der hintere, bildseitige Brennpunkt für kurze Wellenlängen größer als für lange Wellenlängen ist. Ein konzentrischer Meniskus mit Konjugierten in seinem Krümmungsmittelpunkt führt keine, wie auch immer gearteten Farblängsfehler ein. Die gleichen Überlegungen gelten im wesentlichen für einen Meniskus mit einer Konjugierten in der Nähe seines Krümmungsmittelpunktes. Die Hinzufügung einer positiven Linse zu einem solchen Meniskus führt einen Farblängsfehler in dem Sinne ein, wie er für den Ausgleich der Änderung des Brennpunktes mit der Wellenlänge erforderlich ist, die sich aus der Änderung der Bildfeldwölbung mit der Wellenlänge ergibt (wozu der Meniskus beiträgt). Dies kann erreicht werden, indem der konvexe Radius des Meniskus kürzer als die Summe seines konkaven Radius und seiner Dicke gemacht wird. Der Meniskus ist dann zwei Linsen äquivalent, von denen eine eine fiktive, konzentrische Meniskuslinse mit einem konvexen Radius, der gleich der Summe des konkaven Radius und der Dicke ist, und die zweite eine positive Meniskuslinse mit der Dicke null ist, deren konkaver Radius der konvexe Radius der fiktiven Meniskus-Linse und deren konvexer Radius der konvexe Radius des tatsächlichen Meniskus sind. Für einen nahezu konzentrischen Meniskus mit konkavem Radius R₁, einem konvexen Radius R₂, einer Dicke t und einem Brechungsindex N kompensiert der Farblängsfehler die Änderung des Brennpunktes aufgrund der Änderung der Bildfeldkrümmung mit der Wellenlänge in einem Ring mit dem Radius H, wenn gilt

R₂<R₁ und
t ≃R₂-R₁+(H²/2N²) (1/R₁-1/R₂) (1)

Es wurde festgestellt, daß die Einführung von zwei Menisken, deren Parameter im wesentlichen die Gleichung (1) erfüllen, in ein optisches System des Typs, wie er in der obenerwähnten US-PS 37 48 015 beschrieben wird, zusammen mit entsprechenden Modifikationen, wie sie im folgenden im einzelnen erläutert werden sollen, zu einer Verringerung des Astigmatismus höheren Ordnung über einen breiten Spektralbereich führt.

Das sich ergebende System kann wesentlich verbessert werden, indem die Menisken so modifiziert werden, daß ihre Dicken größer sind als die durch Gleichung (1) angegebenen Werte. Dies führt zu einer Änderung des Brennpunktes eines ringförmigen Abbildungsbereiches bzw. Bildfeldes, deren Sinn so ist, daß sie durch die Einführung einer planparallelen Platte mit entsprechender Dicke kompensiert werden kann, wie bei 18 in Fig. 1 angedeutet wird. Die zusätzlichen Freiheitsgrade, die durch dieses zusätzliche Element geliefert werden, machen eine wesentlich höhere Korrektur möglich.

Eine weitere Verbesserung kann erhalten werden, indem die planparallen Platten nach einem der beiden folgenden Verfahren modifiziert werden:

(1) Eine der Flächen der planparallelen Platte kann asphärisch gemacht werden,
(2) die planparallele Platte kann "gebogen" werden, so daß sich ein Meniskuselement ergibt.

Das höchste Maß an Korrektur läßt sich mit folgendem System erreichen: Die Dicke der Menisken ist größer als der durch die Gleichung (1) angegebene Wert; die Farbkompensation wird erhalten, indem planparallele Platten hinzugefügt werden, die gemäß einem der beiden obenbeschriebenen Wege modifiziert wurden. Die kleinen Aberrationen, die von der Abweichung des Meniskuselementes 12 von der Konzentrizität herrühren, werden durch die Einführung einer kleinen Abweichung des Spiegelpaars 12 und 14 von der Konzentrizität kompensiert.

Das heißt, daß der konkave Spiegel 14 und der konvexe Spiegel 12 so gelagert werden, daß der Abstand zwischen ihren Krümmungsmittelpunkten kleiner als ungefähr 2% der Länge des kürzeren Radius ist.

Tabelle 1 gibt ein Beispiel mit Konstruktionsdaten für das optische System mit ringförmigem Abbildungsbereich nach Fig. 1. Dabei wird in üblicher Weise ein Plus-Zeichen verwendet, um anzugeben, daß eine Oberfläche zum Objekt hin konvex ist; dieser Abstand wird von links nach rechts gemessen; ein Minus-Zeichen wird verwendet, um anzugeben, daß eine Oberfläche zum Objekt hin konkav ist; dieser Abstand wird von rechts nach links gemessen.

Tabelle I

Radius des Kreisrings = 100 mm

Tabelle II zeigt die berechnete Leistung des optischen Systems mit ringförmigem Gesichtsfeld nach Tabelle 1 über einen erweiterten Spektralbereich (2800 Å bis 5461 Å), ausgedrückt in der mittleren Wellen-Aberration bei verschiedenen Radien des Kreisrings. Die Breite des nutzbaren Kreisrings ist die Differenz zwischen den Werten für die oberen und unteren Radien, für welche die Leistung für den jeweiligen Anwendungszweck geeignet ist. Ein System wird üblicherweise "beugungsbegrenzt" oder genauer "öffnungs- bzw. aperturbegrenzt" genannt, wenn die mittlere Wellenaberration kleiner als 0,07 ist. Für ein Abtastsystem kann die mittlere Wellenaberration an den Kanten des Kreisrings bis zu 0,09 oder gar 0,1 betragen.

Tabelle II

N. A. = 0,17 bei Objekt und Bild

Wie oben erwähnt wurde, weist das optische System mit ringförmigem Gesichtsfeld wenigstens einen konvexen und einen konkaven Spiegel auf, die im wesentlichen konzentrisch längs einer optischen Achse angeordnet sind, so daß senkrecht zu dieser Achse, für welche das System die Vergrößerung 1 hat, konjugierte Ebenen entstehen. Fig. 1 zeigt eine geeignete Anordnung der konvexen und konkaven Spiegel; andere geeignete Anordnungen dieser Spiegel sind in der US-PS 37 48 015 dargestellt und beschrieben. Fig. 8 der vorliegenden Beschreibung zeigt eine Anordnung, die einen konvexen Spiegel 12 e und einen konkaven Spiegel 14 e enthält, die im wesentlichen konzentrisch längs einer optischen Achse SA so angeordnet sind, daß insgesamt fünf Reflexionen innerhalb des Systems ausgenutzt werden; dabei erfolgen drei Reflexionen an dem konkaven Spiegel 14 e und zwei an dem konvexen Spiegel 12 e. Bei dieser Ausführungsform ist die algebraische Summe der Brechkräfte der verwendeten, reflektierenden Oberflächen null, wenn der Radius des konvexen Spiegels 12 e zwei Drittel des Radius des konkaven Spiegels 14 e ist. Auf ähnliche Weise, wie es in Verbindung mit der Ausführungsform nach Fig. 1 beschrieben wurde, enthält das System nach Fig. 8 Meniskuselemente 16 e und eine Farbkorrektur-Platte 18 e, welche die oben beschriebene Funktionsweise haben.

Optische Systeme mit ringförmigem Abbildungsbereich des eben beschriebenen Typs werden im allgemeinen für die Abtastung eingesetzt; zu diesem Zweck wird angestrebt, die Orientierung des Objektes und der Abbildung gleich zu machen, so daß ihre Halterungen in einer festen Beziehung zueinander gehalten werden können, während sie bei der Abtastung relativ zu dem optischen System bewegt werden; dadurch lassen sich die Anforderungen an die Genauigkeit der Abtastbewegung gering halten. Bei dem optischen System nach der obenerwähnten US-PS 39 51 546 wird dies durch eine Anordnung erreicht, bei der in dem optischen System drei flache Spiegel vorgesehen sind. Diese Wirkung läßt sich jedoch auch auf andere Weise erreichen, indem zwei optische Systeme 10 und 10′ eingesetzt werden, wobei jedes optische System von dem in Fig. 1 gezeigten Typ ist; diese optischen Systeme sind Rücken-an-Rücken angeordnet, so daß die Objekt- und Bild-Ebenen übereinanderliegen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Das optische System 10 enthält also zwei sphärische Spiegel 12 und 14, ein Paar Meniskuselemente 16 und eine Farbkorrekturplatte 18, während das symmetrische optische System 10′ zwei sphärische Spiegel 12′ und 14′, ein Paar Meniskuselemente 16′ und eine Farbkorrekturplatte 18′ enthält. Der für eine praktische Anordnung erforderliche physikalische Abstand zwischen dem Objekt und der schließlich erhaltenen Abbildung wird erreicht, indem Spiegel 20 und 20′ für die Knickung des Strahlengangs hinzugefügt werden, wie in Fig. 2 durch die unterbrochenen Linien angedeutet ist, um das tatsächliche Objekt und die Abbildung jeweils zu den Stellen O′ bzw. I′ zu bewegen. Bei dieser Anordnung muß die Trennung zwischen den Spiegeln für die Knickung des Strahlengangs ausreichen, um einen Zwischenraum für die Abtastung zu liefern. Selbstverständlich können jedoch auch andere Ausgestaltungen von planparallelen Platten für die Knickung des Strahlengangs verwendet werden, welche die relative Orientierung des Objektes und der Abbildung beibehalten.

Bei dem optischen System nach Fig. 2 ist das bei 22 angedeutete Zwischenbild hoch korrigiert, weil es durch das optische System 10 nach Fig. 1 erzeugt wird. Bei dieser Anordnung ist jede Hälfte 10 und 10′ des Systems longitudinal symmetrisch und kann deshalb umgekehrt, das heißt, in die jeweils andere Stellung gebracht werden. Da für die meisten Anwendungsfälle eine hohe Korrektur am Zwischenbild nicht erforderlich ist, kann das System vereinfacht werden, indem die Anforderungen nicht erfüllt werden, daß jede Hälfte des Systems symmetrisch sein muß, während das System oder wenigstens seine brechenden Elemente insgesamt symmetrisch gehalten werden; dadurch läßt sich die Zahl der für die Kompensation erforderlichen Menisken und Korrekturplatten auf jeweils zwei verringern, wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 dargestellt ist. Dabei weist also eine Hälfte des bei 10 a angedeuteten optischen Systems zwei sphärische Spiegel 12 und 14, ein Meniskuselement 16 a und eine Farbkorrekturplatte 18 a auf, die auf der Seite des Zwischenbildes 22 vorgesehen sind; alle diese Elemente sind symmetrisch um die optische Achse SA angeordnet. Die andere, bei 10 a′ angedeutete Hälfte des optischen Systems weist zwei sphärische Spiegel 12′ und 14′, ein Meniskuselement 16 a′ und eine Farbkorrekturplatte 18 a′ auf, die auf der Seite des Zwischenbildes 22 angeordnet sind; alle diese Elemente liegen symmetrisch zu der optischen Achse SA. Aus den gleichen, bereits oben angegebenen Gründen ist jede Hälfte des optischen Systems mit einem Spiegel 20 und 20′ für die Knickung des Strahlengangs versehen, der in Fig. 2 mit gestrichelten Linien angedeutet ist, um das tatsächliche Objekt und schließlich die erhaltene Abbildung jeweils zu den Stellen O′ bzw. I′ zu verschieben.

Im folgenden wird auf Fig. 4 Bezug genommen; Systeme mit dem bei 22 angedeuteten Zwischenbild können weiter vereinfacht werden, indem die beiden Farbkorrekturplatten 18 a und 18 a′ der Ausführungsform nach Fig. 3 zu einem einzigen Element der gleichen Form kombiniert werden, wie es in Fig. 4 bei 18 b angedeutet ist. Die Symmetrie wird aufrecht erhalten, indem der einzige Farbkorrektor 18 b in dem oder nahe bei dem Zwischenbild 22 angeordnet wird. Weiterhin kann auch auf die Spiegel 20 und 20′ für die Knickung des Strahlengangs nach Fig. 3 verzichtet werden, indem die konjugierte Schnittweite wenigstens eines der Doppelspiegelelemente 12 b, 14 b und 12 b′, 14 b′ ungleich gemacht wird. Das heißt, daß der Zwischenbildabstand von dem Zwei-Spiegel-Element größer als der Objekt- und/oder Bildabstand gemacht wird, um dadurch das schließlich erhaltene Bild I im Abstand von dem Objekt O anzuordnen. Bei diesem System kann die Farbkorrekturplatte 18 b an dem Zwischenbild eine richtige bzw. wahre parallele Ebene sein.

In einem echten afokalen System ist die Vergrößerung für alle konjugierten bzw. zugehörigen Stellen gleich. Diese an sich erstrebenswerte Eigenschaft läßt sich jedoch in der Praxis nicht erreichen, weil praktische Systeme im allgemeinen nicht für alle Stellen bzw. Lagen des Abbildungsbereichs wirklich afokal bleiben. Bei dem System mit der Vergrößerung 1 nach Fig. 4 ergibt sich beispielsweise folgendes: Wenn das Objekt O und die Abbildung I zusammen longitudinal um 1 mm verschoben werden, ändert sich die Vergrößerung eines 4 mm radialen Kreisrings von 1 um ±0,00032. Diese Änderung, die zu einer Spur-Verschmierung während der Abtastung führt, kann auf ±0,00001 verringert werden, indem eine der Flächen der Farbkorrekturplatte 18 b asphärisch gemacht wird.

Eine Modifikation des optischen Systems nach Fig. 4 ist in Fig. 5 dargestellt; dabei werden die Korrekturmenisken von der Seite des Zwischenbildes des Systems zu seiner Objekt/Bild-Seite verschoben. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 enthält eine Hälfte des Systems zwei sphärische Spiegel 12 b und 14 b sowie ein Meniskuselement 16 c, das auf der Objekt/Bild-Seite und symmetrisch zu der Systemachse SA angeordnet ist; die andere Hälfte des Systems enthält zwei sphärische Spiegel 12 b′ und 14 b′ sowie ein Meniskuselement 16 c′, das ebenfalls auf der Objekt/Bild-Seite und symmetrisch zu der Systemachse SA angeordnet ist. Eine einzige Farbkorrekturplatte 18 b ist symmetrisch zu der Systemplatte in dem oder nahe bei dem Zwischenbild 22 angeordnet. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist eine der Flächen dieser Platte asphärisch. Weiterhin sind wie bei der Ausführungform nach Fig. 4 die Abstände des Zwischenbildes zu den Zwei-Spiegel-Elementen größer als die Abstände Objekt und Abbildung, um für die Abtastung die schließlich erhaltene Abbildung I im Abstand von dem Objekt O anzuordnen.

Die folgende Tabelle III gibt ein Beispiel für die Konstruktionsdaten eines optischen Systems mit ringförmigem Abbildungsbereich nach Fig. 5 an.

Tabelle III

Radius des Kreisrings = 100 mm

Tabelle IV zeigt die berechnete Leistung des optischen Systems mit ringförmigem Abbildungsbereich nach Tabelle III über einen erweiterten Spektralbereich (2800 Å bis 5461 Å), ausgedrückt in der mittleren Wellenabweichung bei verschiedenen Radien des Kreisrings. Die Breite des nutzbaren Kreisrings ist die Differenz zwischen Werten für den oberen und unteren Radius, für welche die Leistung für die jeweilige Anwendung geeignet ist.

Tabelle VI

N. A. = 0,17 bei Objekt und Abbildung

Ein optisches System, bei dem die Abstände von dem Zwischenbild 22 zu den Zwei-Spiegel-Elementen 12 d-14 d und 12 d′-14 d′ kleiner als die Abstände von dem Objekt O und der schließlich erhaltenen Abbildung I sind, ist in Fig. 6 gezeigt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 enthält eine Hälfte des Systems zwei sphärische Spiegel 12 d und 14 d sowie ein Meniskuselement 16 a, das auf der Zwischenbildseite und symmetrisch zu der Systemachse SA angeordnet ist; die andere Hälfte des Systems enthält zwei sphärische Spiegel 12 d′ und 14 d′ sowie ein Meniskuselement 16 a, das auf der Zwischenbildseite und symmetrisch zu der Systemachse SA angeordnet ist. Eine einzige Farbkorrekturplatte 18 b ist in oder nahe bei dem Zwischenbild 22 vorgesehen. Zwischen den gekreuzten konjugierten Stellen O und I sind wie bei den Systemen nach den Fig. 2 und 3 parallele Planplatten für die Knickung des Strahlengangs eingeführt, so daß sie für die Abtastung zugänglich werden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 sind jedoch die beiden Planplatten für die Knickung des Strahlengangs die vordere und hintere Oberfläche einer planparallelen Platte 20 d, deren Dicke unter Berücksichtigung der mechanischen Anforderungen bestimmt wird, im Gegensatz zu den Anordnungen nach den Fig. 2 und 3, bei denen andere Anforderungen den Abstand zwischen den reflektierenden Oberflächen festlegten. Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 dienen also die vordere und hintere Oberfläche der Platte 20 d dazu, das Objekt O nach O′ und die schließlich erhaltene Abbildung I nach I′ abzulenken bzw. umzulenken, wodurch sich der für die Abtastung erforderliche Abstand zwischen ihnen ergibt.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die gekreuzte Objekt- und Bildebenen verwendet, ist in Fig. 7 dargestellt; dabei ist die einzige Farbkorrekturplatte 18 b nach Fig. 6 an dem Zwischenbild durch zwei im Abstand angeordnete Farbkorrekturplatten 18 e und 18 e′ auf der Objekt/Bild-Seite des Systems ersetzt worden. Bei dieser Ausführungsform sind die im wesentlichen planparallelen Platten "gebogen" worden, so daß ein Meniskuselement entsteht. Der übrige Teil des Systems nach Fig. 7 ähnelt dem des Systems nach Fig. 6. Das heißt, daß eine Hälfte des Systems zwei sphärische Spiegel 12 d und 14 d sowie ein Meniskuselement 16 a enthält, das auf der Zwischenbildseite angeordnet ist, während die andere Hälfte des Systems zwei sphärische Spiegel 12 d′ und 14 d′ sowie ein Meniskuselement 16 a′ enthält, das ebenfalls auf der Zwischenbildseite angeordnet ist. Wie bereits oben in Verbindung mit der Ausführungsform nach Fig. 6 beschrieben wurde, dient eine Platte 20 d mit vorderen und hinteren Spiegeloberflächen dazu, das Objekt O nach O′ und die schließlich erhaltene Abbildung I nach I′ zu verschieben, wodurch sich der Abstand zwischen Objekt und Abbildung ergibt, wie er für die Praxis erforderlich ist.

Tabelle V gibt die Konstruktionsdaten für ein Beispiel des optischen Systems mit ringförmigem Bildfeld nach Fig. 7 an.

Tabelle V

Radius des Kreisrings = 100 mm

Tabelle VI zeigt die berechnete Leistung des optischen Systems mit ringförmigem Abbildungsbereich nach Tabelle V über einen erweiterten Spektralbereich (2800 Å bis 5461 Å), ausgedrückt in der mittleren Wellenaberration bei verschiedenen Radien des Kreisrings. Die Breite des nutzbaren Kreisrings ist die Differenz zwischen den Werten der oberen und unteren Radien, für welche die Leistung für den jeweiligen Anwendungszweck geeignet ist.

Tabelle VI

N. A. = 0,17 bei Objekt und Abbildung

Bei der Anordnung nach Fig. 7 und bei der Konstruktion nach Fig. 5 können die brechenden oder Meniskuselemente 18 e, 18 e′, 16 c und 16 c′ als Fenster verwendet werden, so daß die Bereiche des optischen Systems luftdicht zwischen ihnen eingeschlossen werden.

Die vorliegende Erfindung schafft also ein neues und verbessertes System für Anwendungsfälle, bei denen räumliche Beziehungen mit großer Genauigkeit reproduziert werden müssen; dieses optische System kann sowohl unter Berücksichtigung eines breiten Kreisrings als auch für einen erweiterten Spektralbereich korrigiert werden.

Claims

1. Spiegellinsensystem für den Abbildungsmaßstab 1 : 1, wobei Bild- und Gegenstandsfeld gegenüber der Symmetrieachse des Systems jeweils seitlich versetzt sind, mit wenigstens einem konvexen und einem konkaven Spiegel, die konzentrisch zu und in Längsrichtung der Symmetrieachse angeordnet sind, mit zu der Symmetrieachse senkrechten, konjugierten Ebenen und wenigstens zwei seitlich zur Symmetrieachse versetzt angeordneten Meniskuslinsen, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsradius der konvexen Oberfläche der jeweiligen Meniskuslinse (16, 16′; 16 a, 16 a′; 16 c, 16 c′ größer als derjenige der konkaven Oberfläche und die Dicke der jeweiligen Meniskuslinse größer als der Unterschied der beiden Radien ist.

2. Spiegellinsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachse (SA) des Spiegellinsensystems (10; 10 a; 10 b; 10 c; 10 e; 10 p) diesem gegenüberliegend ein weiteres Spiegellinsensystem (10′; 10 a′; 10 b′; 10 c′; 10 e′; 10 p′) für den Abbildungsmaßstab 1 : 1, welches einen weiteren konvexen und einen weiteren konkaven Spiegel (12′; 14′; 12 b′, 14 b′, 12 d′, 14 d′), die im wesentlichen konzentrisch zu und in Längsrichtung der Symmetrieachse (SA) angeordnet sind, und gegenüber der Symmetrieachse (SA) seitlich nach verschiedenen Seiten in bezug auf diese Symmetrieachse (SA) versetztes Bild- und Gegenstandsfeld sowie zu der Symmetrieachse (SA) senkrechte, konjugierte Ebenen aufweist, derart angeordnet ist, daß eine konjugierte Ebene des Spiegellinsensystems (10; 10 a; 10 b; 10 c; 10 e; 10 p) mit einer konjugierten Ebene des weiteren Spiegellinsensystems (10′; 10 a′; 10 b′; 10 c′; 10 e′; 10 p′) zusammenfällt, und daß jeweils eine der Meniskuslinsen (16, 16′, 16 a, 16 a′, 16 c, 16 c′) in dem Strahlengang des Spiegellinsensystems und des weiteren Spiegellinsensystems angeordnet ist.

3. Spiegellinsensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Krümmungsmittelpunkten des konkaven und konvexen bzw. des weiteren konkaven und des weiteren konvexen Spiegels (12, 14; 12′, 14′; 12 b, 14 b; 12 b′, 14 b′; 12 d, 14 d; 12 e, 14 e) kleiner als ungefähr 2% der Länge des kürzeren Radius der beiden Spiegel ist.

4. Spiegellinsensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Meniskuslinsen (16 a, 16 a′; 16 c, 16 c′) symmetrisch zu den zusammenfallenden, konjugierten Ebenen angeordnet sind.

5. Spiegellinsensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spiegellinsensysteme (10, 10′) jeweils ein Paar Meniskuslinsen (16, 16′) aufweisen, die in jedem Spiegellinsensystem (10, 10′) symmetrisch zur Symmetrieachse (SA) und paarweise symmetrisch zu den zusammenfallenden, konjugierten Ebenen angeordnet sind.

6. Spiegellinsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem kreisförmigen Gegenstandsfeld zwischen dessen Radius (H) und den Parametern der Meniskuslinsen folgende Beziehung gilt: R₂<R₁undt R₂-R₁+(H²/2N²) · (1/R₁-1/R₂)worin bedeuten:H= der Radius des ringförmigen Feldes,R₁= der Radius der konkaven Oberfläche der Meniskuslinse, R₂= der Radius der konvexen Oberfläche der Meniskuslinse, t= die Dicke der Meniskuslinse, N= der Brechungsindex der Meniskuslinse.

7. Spiegellinsensystem nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gegenstandsfeld bzw. dem Bildfeld und den Spiegeln (12, 14; 12′, 14′) wenigstens eine Korrekturlinse (18) angeordnet ist.

8. Spiegellinsensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Korrekturlinse (18 a, 18 a′; 18 e, 18 e′) zwischen den Spiegeln (12, 14; 12′, 14′; 12 d, 14 d; 12 d′, 14 d′) und den Meniskuslinsen (16 a; 16 a′) oder zwischen den Meniskuslinsen (16 a, 16 a′) und dem Gegenstand bzw. Bildfeld angeordnet ist.

9. Spiegellinsensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine einzige Korrekturlinse (18) an der Stelle (22) angeordnet ist, an der eine konjugierte Ebene des Spiegellinsensystems (10; 10 a; 10 b; 10 c; 10 e; 10 p) mit einer konjugierten Ebene des weiteren Spiegellinsensystems (10′; 10 a′; 10 b′; 10 c′; 10 e′; 10 p′) zusammenfällt.

10. Spiegellinsensystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturlinse eine im wesentlichen planparallele Platte ist.

11. Spiegellinsensystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturlinse eine Platte mit einer asphärischen Fläche ist.

12. Spiegellinsensystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturlinse ein Meniskus ist.

13. Spiegellinsensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte bzw. der Meniskus senkrecht zur Symmetrieachse (SA) angeordnet ist.

14. Spiegellinsensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Gegenstandsfeld oder dem Bildfeld und dem zugeordneten konkaven Spiegel (14b, 14 b′; 14 d, 14 d′) in wenigstens einem der Spiegellinsensysteme (10 b, 10 b′; 10 c, 10 c′, 10 d, 10 d′; 10 e, 10 e′) von dem Abstand zwischen den zusammenfallenden, konjugierten Ebenen und den konkaven Spiegeln (14 b, 14 b′; 14 d, 14 d′) verschieden ist.

15. Spiegellinsensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Gegenstandsfeld bzw. dem Bildfeld und dem zugeordneten konkaven Spiegel (14, 14′; 14 d, 14 d′) gleich dem oder größer als der Abstand zwischen den zusammenfallenden, konjugierten Ebenen und den konkaven Spiegeln (14, 14′; 14 d, 14 d′) ist und daß eine optische Einrichtung (20, 20′; 20 d) vorgesehen ist, durch die das Bildfeld und das Gegenstandsfeld zum freien Zugang voneinander trennbar sind.

16. Spiegellinsensystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung (20, 20′, 20 d) Spiegelflächen aufweist.

17. Spiegellinsensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das und das weitere Spiegellinsensystem (10, 10′; 10 a, 10 a′; 10 b, 10 b′; 10 d, 10 d′; 10 e, 10 e′) im wesentlichen symmetrisch zu der Ebene sind, in der mindestens jeweils eine der konjugierten Ebenen der beiden Spiegellinsensysteme liegt.

18. Spiegellinsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die folgenden Konstruktionsdaten:

19. Spiegellinsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch die folgenden Konstruktionsdaten:

20. Spiegellinsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, gekennzeichnet durch die folgenden Konstruktionsdaten: