DE4220705A1 - Vorrichtung zum Aufteilen eines Lichtstrahles in homogene Teilstrahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufteilen eines Lichtstrahles in zumindest zwei räumlich voneinander getrennte, homogenisierte Teilstrahlen.

Der Begriff "Licht" soll hier umfassend als elektromagnetische Strahlung verstanden werden, also insbesondere auch nicht sichtbare Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums ent­ halten, insbesondere ultraviolette Strahlung, wie sie ein Ex­ cimerlaser erzeugt.

Laserstrahlen haben häufig keine gleichförmige Intensitätsver­ teilung über ihren Querschnitt. Dies gilt für eine Vielzahl von Laserquellen. Zum Beispiel wird die Intensitätsverteilung bei vielen Laserstrahlen durch eine zur Ausbreitungsrichtung des Strahls rotationssymmetrische Glockenkurve beschrieben. Bei den sogenannten instabilen Resonatoren weist die Intensität des La­ serstrahls häufig ein Loch in der Mitte des Strahlquerschnitts auf. Sowohl bei gepulsten als auch bei kontinuierlichen Laser­ quellen treten häufig sogenannte Intensitätsspitzen ("hot spots") auf, also begrenzte Bereiche im Strahlquerschnitt, in denen der Laserstrahl eine wesentlich höhere Intensität hat als in den übrigen Bereichen. Die Intensitätsspitzen können an be­ stimmten Orten auftreten oder auch innerhalb des Strahlquer­ schnittes springen.

Bei einer Vielzahl von Anwendungen von Laserstrahlen sind der­ art ungleichmäßige Verteilungen der Intensität des Strahles über dessen Querschnitt und dessen Raumwinkel von Nachteil. Sollen zum Beispiel größere Flächenstücke mit Laserstrahlen ausgeleuchtet oder bearbeitet werden, so können ungleichmäßige Intensitätsverteilungen oder auch Intensitätsspitzen und inho­ mogene Raumwinkelenergieverteilungen störend wirken.

Transversale Gasentladungslaser, wie zum Beispiel TEA-CO₂-Laser oder Excimerlaser, weisen zwar keine störenden Intensitätsspit­ zen auf, müssen aber zur Ausleuchtung eines größeren Flächen­ stückes optisch manipuliert werden, wobei beträchtliche Inten­ sitätseinbußen in Kauf zu nehmen sind. Auch die Anpassung der Raumwinkelenergieverteilungen ist oft notwendig.

Bekannte Verfahren zum Homogenisieren der Intensitätsverteilung in laserstrahlen sind aufwendig und/oder nicht in allen Wellen­ längenbereichen anwendbar.

Die DE 38 29 728 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Homogeni­ sieren der Intensitätsverteilung im Querschnitt eines Laser­ strahls, bei der jeweils einen Teil des Querschnittes des La­ serstrahls erfassende optischen Elemente im Laserstrahl ange­ ordnet sind, welche die von ihnen erfaßten Teilstrahlen ein­ ander überlagern. Hierzu werden sogenannte Zylinderlinsen-Stäbe verwendet.

Die DE 38 41 045 A1 beschreibt eine Anordnung zum Homogenisie­ ren der Intensitätsverteilung im Querschnitt eines Laserstrahls selbst, bei der im Resonator ein Prisma angeordnet ist.

Der vorstehend zitierte Stand der Technik wird nachfolgend als bekannt vorausgesetzt.

Daneben tritt bei Anwendung von Lasern bisweilen das Problem auf, zwei räumlich voneinander getrennte Teilstrahlen mit gleicher Raumwinkelenergieverteilung zu erzeugen, wobei die Teilstrahlen jeweils zur Ausleuchtung zwei getrennter Bereiche benutzt werden.

Der Erfindung liegen also zwei technische Probleme zugrunde, nämlich zum einen die Homogenisierung eines Lichtstrahles (z. B. eines Laserstrahles, wie ein Excimerlaserstrahl) und zum ande­ ren die Erzeugung von zumindest zwei räumlich voneinander ge­ trennten Teilstrahlen mit definierter Raumwinkelenergievertei­ lung.

Die Erfindung löst diese beiden, eigentlich voneinander unab­ hängigen Probleme mit einer einzigen Vorrichtung zum Aufteilen eines Lichtstrahles in zumindest zwei räumlich voneinander ge­ trennte homogene Teilstrahlen, mit einer Mehrzahl von Linsen, die jeweils in einem Querschnitt in einer Ebene, welche paral­ lel zur Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahles ist, auf ihrer Einfallsseite in bezug auf den Lichtstrahl konvex und auf ihrer Ausfallseite prismenförmig sind, und mit zumindest einer Sam­ mellinse, die in Richtung des Lichtstrahles hinter der Mehrzahl von Linsen angeordnet ist.

Erfindungsgemäß werden also gleichzeitig zwei Probleme gelöst, nämlich zum einen die Homogenisierung und zum anderen die Auf­ trennung eines Lichtstrahls in unterschiedliche Teilstrahlen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß die Mehrzahl von Linsen jeweils stabförmig sind, wobei sich ihre Längsachsen parallel zueinander erstrecken.

Bevorzugt wird als konvexe Form der Mehrzahl von Linsen jeweils eine Zylinderform vorgesehen. Bei dieser Ausgestaltung der Er­ findung werden also mehrere Zylinderlinsen-Prismenstäbe verwen­ det.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher er­ läutert. Es zeigt:

Fig. 1a, b schematisch eine erfindungsgemäße Optik zur Homoge­ nisierung und besonders interessierende Strahlengänge und

Fig. 2 die Einbindung der Homogenisierungsbeleuchtungsoptik gemäß Fig. 1b in ein Abbildungssystem.

Die in Fig. 1a gezeigte optische Vorrichtung soll dienen zur homogenen Beleuchtung von zwei getrennten Flächen, nämlich den in Fig. 1 rechts auf einem Schirm 26 gezeigten Flächen D und D′.

Erläutert wird dies anhand eines Lichtstrahls 10, der beim dar­ gestellten Ausführungsbeispiel von einem Excimerlaser stammt.

Die Randstrahlen des Lichtstrahls 10 sind mit 10′ bzw. 10′′ be­ zeichnet. Der Strahl 10 soll aufgeteilt werden in zwei Teil­ strahlen 12, 14.

Hierzu dienen beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1a, b drei Linsen 16a, 16b und 16c.

Der Lichtstrahl 10 fällt in Richtung des Pfeiles 18 auf die Linsen 16a, 16b, 16c. Somit ist die Einfallsseite 20 des Lich­ tes auf die Linsen in Fig. 1 links. Auf der Ausfallseite 22 der Mehrzahl von Linsen 16a, 16b, 16c sind die charakteristischen Strahlengänge gezeichnet. Die Linsen sind schraffiert, um sie von den Strahlen zu unterscheiden.

Wie Fig. 1a, b zu entnehmen ist, ist jede der Linsen 16a, 16b, 16c eine Kombination aus einer Zylinderlinse und einem Prisma, und zwar derart, daß die Linsen jeweils in einem Querschnitt in einer Ebene, welche parallel zur Ausbreitungsrichtung 18 des Lichtstrahles 10 liegt, auf der Einfallsseite 20 jeweils einen Abschnitt aufweisen, der dem Teil einer Zylinderlinse ent­ spricht, während auf der Ausfallseite 22 die Linsen jeweils prismenförmig sind, also einen dreieckförmigen Querschnitt aufweisen, wobei die Spitze des Dreieckes in die gleiche Rich­ tung weist wie die Einfallsrichtung 18 des Lichtstrahls 10.

Die optische Achse des Systems ist mit A bezeichnet.

In Richtung 18 hinter den Linsen 16a, 16b, 16c ist eine doppelt konvexe Sammellinse 24 angeordnet, deren Brennweite f(2) ist.

Die Sammellinse 24 bildet die durch die Mehrzahl von Linsen 16a, 16b, 16c abgelenkten Lichtstrahlen auf einem Schirm 26 ab und zwar derart, daß zwei Bereiche D, D′ auf der Schirmebene beleuchtet werden. Der obere Bereich D wird durch den Teil­ strahl 12 beleuchtet und der untere Bereich D′ wird durch den Teilstrahl 14 beleuchtet. Der Beleuchtungsbereich D wird durch die Punkte P₁ und P₂ begrenzt, während der Beleuchtungsbereich D′ durch die Punkte P₁′ und P₂′ (Teilstrahl 14) begrenzt wird. Ein Raum mit dem Durchmesser Δx, der symmetrisch zur optischen Achse A ist, ist somit frei von Lichtstrahlen. Dies bedeutet, daß die Teilstrahlen 12, 14 räumlich voneinander getrennt sind.

Der Strahlengang ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Zum Bei­ spiel wird der Punkt P₁ auf dem Schirm 26 erzeugt durch Fokus­ sierung mittels der Sammellinse 24 von drei Randstrahlen S_1a, S_1b und S_1c, die jeweils von den unteren Kanten der Zylinder/ Prismenlinsen 16a, 16b, 16c in der dargestellten Weise gebro­ chen werden.

Der Punkt P₂ wird beleuchtet durch Fokussierung der Strahlen S_2a, S_2b und S_2c, die jeweils etwa in der Mitte der Prismen ge­ bildet werden, wie Fig. 1 zu entnehmen ist.

Analog ergeben sich die Beleuchtungsrandpunkte P₁′ und P₂′ des Beleuchtungsbereiches D′ durch die eingezeichneten Strahlen.

Aus dem dargestellten und oben beschriebenen Strahlengang er­ gibt sich, daß nicht nur eine Auftrennung des Lichtstrahles 10 in zwei Teilstrahlen 12 bzw. 14 stattfindet, sondern daß auch die einzelnen Teilstrahlen 12 bzw. 14 durch Überlagerung von Teilstrahlen homogenisiert sind. Der Begriff "Homogenisierung" bedeutet hier somit, daß die Beleuchtungsbereiche D und D′ gleichmäßig ausgeleuchtet sind, so daß Intensitätsschwankungen über der Fläche weitgehend ausgeglichen werden.

Das beschriebene Linsensystem leistet eine Abbildung der Ebene 11 mit den virtuellen Lichtsegmentfeldern d in die Ebene 26. Die virtuellen Lichtsegmentfelder sind durch die Prismen 16a, b, c definiert, ebenso der Abstand x der Felder zueinander. In der Ebene 26 entsteht das Bild dieser Ebene 11 im Verhältnis der Brennweiten vergrößert oder verkleinert gemäß den Gleich­ ungen

Jedes Teilsegment d entspricht einem Teilstrahl und wird in der Bildebene 26 überlagert. Dadurch ergibt sich eine Homogenisie­ rung. Entsprechend der Anzahl der Linsen und Prismenelemente wird eine umso gleichmäßigere Ausleuchtung der Bereiche D und D′ erreicht, je mehr Teilstrahlen erzeugt und überlagert wer­ den. Die Bedeutung der Symbole ergibt sich aus den Fig. 1a, 1b.

Die Teilstrahlen (z. B. Ränder S_1C und S_2C) entspringen je nach Anordnung der Linsen f (1) und f(2) einer virtuellen Licht­ quelle im Unendlichen oder Endlichen. Fig. 1b zeigt, wie die durch die Prismen 16a, b, c verursachte Hauptstrahlneigung ver­ ändert bzw. zu 0° kompensiert werden kann. Dies ist insbeson­ dere wichtig für die Weiterverarbeitung des Lichtstrahls in einer Abbildungslinse. Insbesondere spielt dies eine wichtige Rolle bei der Anwendung in der Ablation. Die Hauptstrahlneigung und die Winkelenergieverteilung in den einzelnen Punkten der Bereiche D und D′ ist bei vielen Ablationsanwendungen sehr wichtig in bezug auf die Geometrie der zu erzeugenden Mikro­ struktur.

Fig. 2 zeigt zusätzlich zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1b weitere optische Elemente, nämlich die Sammellinsen 28, 32 und 34 und zwei Prismen 30, mit denen die in der oben beschriebenen Weise erzeugten homogenisierten Teilstrahlen 12 und 14 weiter verarbeitet und abgebildet werden können. Die Funktion der Prismen 30 ist, die Hauptstrahlneigung zu korrigieren bzw. ein­ zustellen. Neben der Objektfeldgröße und numerischen Apertur der Beleuchtung ist die Hauptstrahlneigung so einzustellen, daß das Licht in das Abbildungssystem 32, 34 gelangt. Wesentliches zusätzliches optisches Element in Fig. 2 (im Vergleich mit den Fig. 1a, 1b) ist das Prisma 30. Hiermit wird die Hauptrichtung der homogenisierten Teilstrahlen 12 und 14 parallel zur opti­ schen Achse A des Systems ausgerichtet. Dies ermöglicht für eine weitere Abbildung der homogenisierten Teilstrahlen 12 und 14 mit einer Abbildungsoptik (Linsen 32, 34) eine relativ kleine numerische Apertur.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich abwandeln. So können z. B. statt der gezeigten drei Zylinder/ Prismenlinsen 16a, 16b, 16c eine Vielzahl derartiger Linsen verwendet werden. Diese Linsen sind dann jeweils stabförmig, wobei sich die Längsachse der Stäbe senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1 und 2 erstreckt. Dies ermöglicht eine einfache Auf­ teilung und Homogenisierung des Strahles besonders bei Excimer­ lasern, die in beiden Richtungen unterschiedlich inhomogen sind. Auch können sphärische Linsen mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt anstelle der Zylinderlinsen verwendet werden.

Mit den gezeigten Anordnungen analogen Systemen können auch Aufteilungen eines Lichtstrahls auf mehr als zwei Teilstrahlen bewirkt werden, so z. B. eine Aufteilung auf vier Teilstrahlen.

Claims (3)

1. Vorrichtung zum Aufteilen eines Lichtstrahles (10) in zu­ mindest zwei räumlich voneinander getrennte homogene Teilstrah­ len (12, 14), mit einer Mehrzahl von Linsen (16a, 16b, 16c), die jeweils in einem Querschnitt in einer Ebene, welche paral­ lel zur Ausbreitungsrichtung (18) des Lichtstrahles (10) ist, auf ihrer Einfallsseite (20) in bezug auf den Lichtstrahl (16) konvex und auf ihrer Ausfallseite (22) prismenförmig sind, und mit zumindest einer Sammellinse (24), die in Richtung (18) des Lichtstrahles (10) hinter der Mehrzahl von Linsen (16a, 16b, 16c) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Linsen (16a, 16b, 16c) jeweils stabförmig sind, wobei sich ihre Längsachsen parallel zueinander erstrecken.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexe Form der Linsen (16a, 16b, 16c) einer Zylinderform entspricht.