EP1506448A2 - Optische anordnung zur homogenisierung eines zumindest teilweise koh renten lichtfeldes - Google Patents

Optische anordnung zur homogenisierung eines zumindest teilweise koh renten lichtfeldes

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Publication number
EP1506448A2
EP1506448A2 EP03752770A EP03752770A EP1506448A2 EP 1506448 A2 EP1506448 A2 EP 1506448A2 EP 03752770 A EP03752770 A EP 03752770A EP 03752770 A EP03752770 A EP 03752770A EP 1506448 A2 EP1506448 A2 EP 1506448A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light field
radiation
optical
beam splitter
radiation component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03752770A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Reinhard Steiner
Klaus Rudolf
Robert Brunner
Jörg BISCHOFF
Stefan Traeger
Richard Kowarschik
Friedrich ZÖLLNER
Peter Eckardt
Maxim Darscht
Hans-Jürgen DOBSCHAL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Carl Zeiss SMS GmbH
Original Assignee
Carl Zeiss SMS GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10322806A external-priority patent/DE10322806B4/de
Application filed by Carl Zeiss SMS GmbH filed Critical Carl Zeiss SMS GmbH
Publication of EP1506448A2 publication Critical patent/EP1506448A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/48—Laser speckle optics

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for homogenizing an at least partially coherent light field, in particular from a laser, preferably an excimer laser.
  • DE 1 95 01 521 C1 describes an arrangement for reducing interference of a coherent bundle of light by reducing the time coherence. It is proposed to use microstructured phase plates through which the laser beam passes in order to reduce the time coherence, with a phase plate of this type having a phase-changing surface structure being designed to be reflective in a particular embodiment of the invention. If the laser light passes through the microstructured phase plate, the coherence of the laser light is broken.
  • the invention is based on the object of creating an arrangement for reducing the undesired speckle, which achieves high efficiency with simple optical means.
  • an arrangement which essentially consists of an optical circuit, at least one coupling element for coupling a light field into the optical circuit and at least one coupling element, wherein the coupled light field or a part of this light field repeats the optical circulation and the wavefront of the light field is at least partially deformed, and wherein
  • Parts of the light field are coupled out if they have passed through the optical circulation once or several times.
  • the light field is coupled into the optical circulation with a given wavefront.
  • portions of the light field are decoupled from the cycle, the wavefronts of which differ from one another. If pulsed laser radiation is involved, the path lengths covered by the individual components of the light field are greater than the time coherence length.
  • An important advantage of the arrangement according to the invention is that no radiation is directed back in the direction of the incident light field and thus a high efficiency in effect is achieved.
  • the optical circulation is formed by two beam splitters.
  • a first beam splitter separates the coupled light field into two subfields.
  • a first of these two subfields reaches the second beam splitter via a shorter optical path, preferably directly.
  • the second of these subfields reaches the second beam splitter via a longer optical path, for example deflected via reflectors.
  • the optical circulation is realized with a beam splitter that separates the coupled light field into two sub-fields, after which a first sub-field is coupled out and the second sub-field is deflected via reflectors in such a way that it reaches the beam splitter again and is separated into two parts , a first part of which is coupled out and the second part is returned to the beam splitter via further reflectors.
  • the coupled-in light field and the respectively returned radiation component strike the mutually opposite radiation surfaces of the splitter layer, the direction of the incident light field and the direction of the radiation component falling on the splitter layer enclosing an angle of 90 'with one another.
  • a further embodiment of the arrangement according to the invention is equipped with a reflection grating which the coupled light field strikes and furthermore has a beam splitter onto which the light diffracted at the reflection grating is directed. A first portion of the diffracted light passes through the dividing surface of the beam splitter and is then decoupled from the optical circuit, while the remaining portion is returned to the reflection grating, for example via a reflector.
  • the returned portion is partly diffracted at the reflection grating and directed onto the splitting surface of the beam splitter, where it is partly coupled out and partly to Reflection grating thrown back, etc., the respectively coupled radiation components mix.
  • the coherence of the laser radiation is reduced on account of the multiple splitting and the path length difference of the radiation components which are respectively brought together at the splitter layer of the beam splitter.
  • the optical circulation is generated by means of two reflection gratings.
  • the coupled light first hits a first reflection grating.
  • the light diffracted in the first order on the first reflection grating is directed onto a second reflection grating. Part of the incident light is again diffracted into the first order and decoupled from the second reflection grating.
  • a plane mirror is provided to which both the radiation component not diffracted in the first order on the first reflection grating and the radiation component not diffracted in the first order on the second reflection grating is directed, and from which the radiation component coming from the first reflection grating is directed onto the second reflection grating and the radiation component coming from the second reflection grating is directed onto the first reflection grating.
  • the two reflection gratings are preferably designed with an identical number of lines and with identical angular relationships. Furthermore, the efficiency of the second reflection grating is lower than the efficiency of the first reflection grating, as a result of which only a small proportion of the circulating light on the second reflection grating is diffracted into the first order and decoupled from the circulation while the Weighing, non-diffracted portion of the second reflection grating is reflected in the specular order and is deflected by means of the plane mirror in such a way that it strikes the first reflection grating at the same angle as the coupled light field, but in mirror image of the grating normal.
  • Symmetrical gratings should be used as reflection gratings, the grating constant of which is of the order of magnitude of the wavelength of the injected light.
  • a phase front-changing element is arranged in the optical circulation, which element impresses a phase front change of approximately half a wavelength on the light field passing through.
  • the following can be provided as elements that change the phase front: static elements such as wedge plates, diffusing disks, lens or mirror arrays, diffractive elements, holographic elements, light mixing rods; or rotating elements such as rotating prisms or Faraday rotators.
  • Fig.l a first outgassing variant with two beam splitters in the optical
  • FIG. 2 shows a second outgassing variant with two beam splitters in the optical circulation
  • FIG. 3 shows a first outgassing variant with a beam splitter in optical circulation
  • FIG. 4 shows a second outgassing variant with a beam splitter in optical circulation
  • FIG. 5 shows an outgassing variant with a reflection grating and another element for beam splitting in optical circulation
  • FIG. 6 shows an outgassing variant with two reflection gratings in the optical
  • FIG. 7 shows an outgassing variant with a phase-changing element in circulation
  • 8 shows the intensity distribution within the beam cross section of a laser beam emanating from an excimer laser
  • FIG. 9 shows the noise reduction from 1 6% to 2.5% after 1 2 rotations
  • Fig.l 0 in curve a a normalized intensity distribution and in curve b the difference between two normalized independent intensity distributions.
  • an incident light field 1 strikes a first beam splitter 2 which has a splitter layer 3.
  • the light field 1 is split into a portion 4 which passes through the divider layer 3 and into a portion 5 which is deflected by the divider layer 3 in the direction of a reflector 6.
  • a second beam splitter 7 with a splitter layer 8 is arranged downstream of the first beam splitter 2.
  • the radiation component 4 strikes the irradiation surface 8.1 of the divider layer 8, partly passes through the divider layer 8 and leaves the optical arrangement in the radiation component 9, while the remaining part of the radiation component 4 is deflected by the divider layer 8 in the direction of a reflector 10.
  • the radiation component 5 When the radiation components 4 and 5 reach the second beam splitter 7, the radiation component 5 has covered a larger optical path than the radiation component 4.
  • the difference in the optical path length is greater than the time coherence length of a laser pulse in the incident light field 1.
  • a portion of the radiation portion 5 passes through the divider layer 8 and then mixes with the light of the radiation portion 4 deflected by the divider layer 8.
  • the light of the radiation portion 5 deflected on the irradiation surface 8.2 of the divider layer 8 mixes with the light through the divider layer 8 - Incoming light of the radiation component 4 and leaves the optical arrangement with the radiation component 9.
  • the radiation component 1 2, in which light from the radiation components 4 and 5 is mixed, is returned via the reflector 1 0 and a further reflector 1 3 to the beam splitter 2, where it strikes the radiation surface 3.2 of the splitter layer 3, which is the radiation surface 3.1 lies in parallel.
  • part of the light of the radiation component 1 2 is directed from the splitting layer 3 in the direction of the radiation component 4 and mixes with it, while the remaining part passes through the splitting layer 3, mixes with the radiation component 5 and with it reaches the second beam splitter 7 again via the reflectors 6 and 11.
  • the splitting takes place as already described, so that different radiation fractions pass through the circulation at different times and are combined with one another after their decoupling, changes in the wave fronts of the individual radiation fractions due to the multiple splitting and the optical path length difference and, as a result, a reduction in the coherence result in the laser light emerging from the arrangement.
  • FIG. 2 The principle of a further exemplary embodiment is shown in FIG. 2, in which two beam splitters are also used to reduce coherence.
  • the incident light field 1 strikes the incident surface 1 5.1 of the splitter layer 1 5 of a first beam splitter 1 4.
  • the incident light field 1 is split into a radiation component 1 6, which passes through the splitter layer 1 5 and is directed onto a reflector 17, and a radiation component 1 8, which is directed to a reflector 1 9.
  • the two radiation components 1 6 and 1 8 are merged with the splitter layer 21 in a second beam splitter 20 after reflection at the reflectors 1 7 and 1 9, respectively.
  • the radiation component 16 impinges on the irradiation surface 21 .1 of the divider layer 21, passes through the divider layer 21 with a radiation component 22, while the rest of the radiation component 23 is deflected by the divider layer 21 and emerges from the optical arrangement.
  • the radiation component 1 8 is also split up by the divider layer 21, a portion passing through the divider layer 21, mixing with the radiation component 23 and leaving the optical arrangement with it, while the remaining radiation component on the irradiation surface 21 .2 of the divider layer 21 into the Direction of the radiation portion 22 is deflected and mixes with it.
  • These mixed radiation components 22 are returned to the beam splitter 14 via reflectors 24, 25, 26 and 27 and hit the irradiation surface 1 5.2 there, which lies opposite the irradiation surface 1 5.1 on the splitter layer 15 in parallel.
  • the direction in which the radiation component 22 strikes the divider layer 15 forms an angle of 90 'with the direction in which the light field 1 falls on the divider layer 15.
  • the radiation component 22 partly passes through the splitter layer 15 and reaches the second beam splitter 20 again via the reflector 19, where it is partly deflected at the irradiation surface 5.2 in the direction of the radiation component 16 and mixed with it reaches via the Reflector 1 7 the irradiation surface 21 .1 of the divider layer 21.
  • this already mixed radiation partly passes through the splitter layer 21 and is returned via the reflectors 24 to 27 to the first beam splitter 14, partly deflected in the direction of the radiation component 23 on the incident surface 21 .1 and mixed with this leaves the optical arrangement.
  • FIG. 1 Another embodiment is shown in FIG.
  • the incident light field 1 first strikes the irradiation surface 30.1 of a divider layer 30 and is thereby split into a radiation component 31 and a radiation component 32.
  • the radiation component 31 strikes a reflector 33 and is again reflected towards the divider layer 30, strikes the irradiation surface 30.2 and is included in the process deflected a radiation component 34, which leaves the optical arrangement and passes with the rest of the radiation component 35 through the divider layer 30 and thereby meets reflectors 36, 37, 38 and 39, through which it is deflected and now directed onto the irradiation surface 30.2 of the divider layer 30 is.
  • This radiation component 35 is split again, the radiation component 35 being deflected partly in the direction of the radiation component 31 and mixing with it, the rest of it passes through the splitter layer 30 and then onto a reflector 40 and from there again onto the irradiation surface 30.1 Divider layer 30 is directed.
  • This part of the radiation part 35 mixed with the radiation part 32 partly passes through the divider layer 30, mixes with the radiation part 34, is partly deflected at the irradiation surface 30.1, mixes with the radiation part 35 and reaches via the reflectors 36, 37, 38 and 39 repeats the divider layer 30.
  • FIG 4 shows an embodiment of the arrangement according to the invention with only one beam splitter.
  • the incident light field 1 strikes the incident surface 43.1 of the splitter layer 43 of a beam splitter 44, a radiation component 45 passing through the splitter layer 43 and leaving the optical arrangement.
  • a second radiation component 46 is deflected by the irradiation surface 43.1 and reaches the beam splitter 44 again via reflectors 47, 48, 49 and 50, but in this case strikes the irradiation surface 43.2, which is aligned parallel to the irradiation surface 43.1 of the divider layer 43.
  • the radiation component 46 partially passes through the divider layer 43 and mixes with the radiation component 46, which is likewise deflected in this direction by the incident light field 1, and is partly in the radiation surface 43.2 in the Deflected in the direction of the radiation component 45, mixes with this radiation component 45 and emerges from the optical arrangement with it.
  • FIG.5 Another embodiment is shown in Fig.5.
  • the incident light field 1 strikes a reflection grating 53, a radiation component 54 being diffracted in the direction of a beam splitter 55.
  • the radiation component 54 is divided into a component 57, which passes through the splitter layer 56 and leaves the optical arrangement, and into a component 58, which is deflected at the splitter layer 56 in the direction of a reflector 59. split.
  • the reflector 59 is oriented such that the portion 58 hits the reflection grating 53 again, the direction of irradiation including the same angle ⁇ with the normal to the reflection grating as the direction of irradiation of the incident light field 1.
  • the incident light field 1 and the portion 58 strike the reflection grating 53 in mirror symmetry from different directions.
  • a laser radiation suitable for illumination purposes is available at the output of the optical arrangement, which is composed of different radiation components that have passed through different optical path lengths.
  • the incident light field 1 first strikes a reflection grating 62, from which, for example, a radiation component 63 diffracted in the first order is directed onto a second reflection grating 64, while a reflected second radiation component 65 reaches a reflector 66 who is so Tet is that the radiation portion 65 hits the reflection grating 64 opposite to the direction of incidence of the radiation portion 63.
  • portions of the two radiation portions 63 and 65 striking the reflection grating 64 from opposite directions are diffracted and mixed to form a radiation portion 67 which emerges from the optical arrangement and is available as illumination light.
  • the part of the radiation component 63 which is not diffracted at the reflection grating 64 is directed onto the reflector 66 in exactly the opposite direction to the direction of the incoming radiation component 65 and is directed back onto the reflection grating 62 by the latter, furthermore opposite to the radiation direction of the radiation component 65.
  • This direction of irradiation with the normal to the reflection grating 62 includes the same angle ⁇ as the direction of irradiation of the incident light field 1 with the normal to the reflection grating 62, but the directions of incidence run in opposite directions.
  • the reflection grating 62 there is in turn diffraction of the light incident in the opposite direction to the radiation component 65 to the reflection grating 64, this part mixing with the radiation component 63 and also with the simultaneously arriving and diffracted part of the incident light field 1.
  • This optical circulation is constructed without transmissive elements and can therefore be used advantageously for wide wavelength ranges of the illuminating light. This is of particular interest for those wavelengths at which no or insufficiently transmissive materials are available for the construction of beam splitters, such as at the wavelengths of deep UV light.
  • a special feature of this exemplary embodiment is furthermore that, owing to the odd number of optical elements involved, the wavefront is flipped over per revolution, which leads to additional mixing of the individual radiation components.
  • the reflection gratings 62 and 64 can be understood in this exemplary embodiment as triple beam splitters. Since both the specular and the diffracted orders lie geometrically within the optical orbit, several passes can be realized, which results in a further improvement in the signal-to-noise ratio in an optical image, for which the illumination light which is homogenized in this way or which is reduced in terms of coherence is used.
  • the reflection gratings 62 and 64 are designed symmetrically, and their grating constants are each in the order of magnitude of the wavelength of the incident light field 1.
  • a special feature is that the incident light field 1 is irradiated into the reflection grating 62 at an angle ⁇ in such a way that the angle ⁇ d of the first diffracted order is just 0 and thus coincides with the grating normal.
  • the second diffracted order is therefore always in autocollimation, ie it coincides with the angle of incidence.
  • the reflection grating 62 is formed with a relatively high efficiency. Light from the incident light field 1 is diffracted into the first order and thus coupled into the circulation.
  • the second reflection grating 64 arrives.
  • the number of lines and the angular relationships on the reflection grating 64 are the same as those on the reflection grating 62, but the efficiency of the reflection grating 64 is designed to be lower.
  • part of the incident light is diffracted into the first order and mixed into the radiation component 67.
  • the greater part, however, is reflected in the specular order and deflected with the aid of the reflector 66 so that it falls on the reflection grating 62 at the same angle ⁇ as the incident light field 1, but on the opposite side of the grating normal. Because of the grating symmetry, depending on the grating efficiency, light is again diffracted into the first order, which geometrically corresponds to the first order of the incident light field 1. This closes the optical circuit.
  • the light diffracted into the second order depending on the efficiency distribution at the reflection gratings 62 and 64 passes through the circulation in the opposite direction Direction and until the interference in the radiation component 67 or until the coupling out of the optical arrangement according to the invention changes in the optical path lengths which are different from the actual circulation. This results in an even stronger mixing of the phase fronts and thus increases the effect of avoiding speckle.
  • the optical path length of the orbit should be as large as possible than the coherence length of the light, as a result of which the decoupled sub-fields add up in the intensities, but not in the amplitudes, so that undesired interference phenomena do not occur.
  • An optical element influencing the phase front of the light can be placed in the beam path between the reflection grating 62 and the reflection grating 64, which element is passed by the light with each revolution, so that a different phase front is established with each revolution.
  • the incident light field 1 passes through an element 69 that changes the phase front and is then branched into a radiation component 70 and a radiation component 71.
  • the branching can take place with a beam splitter 72.
  • the radiation component 70 While the radiation component 70 emerges from the optical arrangement, the radiation component 71 is returned (for example via reflectors 73, 74), coupled back into the incident light field 1 by means of a beam splitter 75 and passes through the phase front-changing element 69 together with it.
  • phase front-changing element 69 is thus traversed several times and different times by different radiation components, which increases the efficiency of the speckle reduction.
  • the speckle pattern of the individual pulses is smeared with one another in lighting systems that work with pulse-powered lasers, and the pulses are then averaged.
  • the arrangement according to the invention with which it is achieved that the speckle pattern “smears” within a single pulse. This makes it possible to increase the signal-to-noise ratio even in single-pulse operation.
  • a major advantage of the optical arrangement according to the invention is that mechanically moved optical elements are not required. For example, there is no need to rotate a lens
  • the number of transmissive optical elements can be reduced in the construction of the arrangement according to the invention by using diffractive optical elements; This has the advantageous consequence that such arrangements are also suitable for wavelengths in which little or no low-absorption materials are available, such as in particular in the deep UV range.
  • An optical circulation as shown in FIG. 7, can be understood as an optical resonator, which acts as an optical filter and thus reduces the spectral density of the frequency noise in the transmitting field.
  • the bandwidth of the transmitted field results from the folding of the bandwidth of the primary field, that is. of the incident light field, with the transfer function of this filter.
  • the bandwidth of the filter is wide compared to the bandwidth of the field, there is no unwanted reduction in the spectral density of the frequency noise of the light field. This can result from the relatively high coupling rates of the resulting low finesse.
  • the circulation can be technically realized in such a way that no stable resonator is created and thus no resonator mode can develop.
  • phase front-changing element 69 can be provided as the phase front-changing element 69 in FIG.
  • the phase front changing element 69 is run through at least once per revolution, so that after each revolution the phase front of the light field is different from the phase front of the previous revolution.
  • the various subfields or radiation components circulate different times after they have been decoupled, they have different phase fronts or polarization states from one another.
  • the result of this is that the speckle pattern is smeared within an image, the decoupled laser light of which is used, and the signal-to-noise ratio and, as a result, the image quality also increase.
  • FIGS 8, 9, 10 and 11 serve to document the efficiency of the optical arrangement according to the invention.
  • FIG. 8a shows the intensity distribution within the beam cross section of a light field 1 emanating from an excimer laser and incident in the optical arrangement according to the invention.
  • FIG. 8b shows the intensity distribution along a dash line.
  • FIG. 9 in particular in comparison of the diagrams a and b, shows the noise reduction from 1 6% to 2.5% after 1 2 cycles.
  • Fig. 10 shows with curve a a normalized intensity distribution and with curve b the difference between two normalized independent intensity distributions.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Homogenisierung eines zumindest teilweise kohärenten Lichtfeldes, insbesondere von einem Laser, vorzugsweise einem Excimer-Laser. Erfindungsgemäss ist eine Anordnung vorgesehen, die im wesentlichen besteht aus einem optischen Umlauf, mindestens einem Einkoppelelement zur Einkopplung eines Lichtfeldes in des optischen Umlauf und mindestens einem Auskoppelelement, wobei das eingekoppelte Lichtfeld (1) oder ein Teil dieses Lichfeldes (1) wiederholt den optischen Umlauf durchläuft und dabei die Wellenfront des Lichtfeldes (1) zumindest teilweise deformiert wird, und wobei Teile des Lichfeldes (1) ausgekoppelt werden, wenn sie den optischen Umlauf ein oder mehrere Male durchlaufen haben. Dabei wird das Lichtfeld (1) mit einer gegebenen Wellenfront in den optischen Umlauf eingekoppelt. Während des Ständig wiederholten Durchlaufens des optischen Umlaufes werden Anteile des Lichfeldes (1) deren Wellenfronten voneinander abweichen, aus dem Umlauf ausgekoppelt. Handelt es sich um gepulste Laserstrahlung, sind die Weglängen, die die Einzelnen Anteile des Lichtfeldes zurücklegen, grösser als die zeitliche Kohärenzlänge.

Description

Titel
Optische Anordnung zur Homogenisierung eines zumindest teilweise kohärenten Lichtfeldes
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Homogenisierung eines zumindest teilweise kohärenten Lichtfeldes, insbesondere vom einem Laser, vorzugsweise einem Excimer-Laser.
Stand der Technik
Es ist bekannt, daß die Intensitätsverteilung im Querschnitt eines kohärenten Lichtfeldes in der Regel nicht homogen ist. Dies trifft insbesondere für die von einem Excimer-Laser ausgehende Strahlung zu.
Bei der Beleuchtung einer Fläche mit einem kohärenten, inhomogenen Laserlichtbündel entstehen Interferenzen, die sich in räumlich unterschiedlichen Leuchtdichten bemerkbar machen, und die zudem auch noch bei verschiedenen Beobachtungsrichtungen wegen der sich dabei ändernden Phasenbeziehungen bei der Interferenz variieren. Diese als Glitzern wahrnehmbare Störung wird in der Fachwelt als „Speck- le" bezeichnet.
Es sind optische Anordnungen entwickelt worden, mit denen das Auftreten von Speckle vermieden oder zumindest verringert wird. Diesbezüglich ist in DE 1 95 01 521 C1 eine Anordnung zum Vermindern von Interferenzen eines kohärenten Lichtbundeis durch Reduzierung der zeitlichen Kohärenz beschrieben. Dabei wird vorgeschlagen, mikrostrukturierte Phasenplatten einzusetzen, durch die das Laserstrahlenbundel zwecks Verminderung der zeitlichen Koha- renz hindurchtritt, wobei in einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung eine solche Phasenplatte mit einer phasenverandernden Oberflachenstruktur reflektierend ausgebildet ist. Tritt das Laserlicht durch die mikrostrukturierte Phasenplatte hindurch, wird die Kohärenz des Laserlichts aufgebrochen.
In WO 97/02507 AI wird eine optische Anordnung beschrieben, die einen Drehspiegel umfaßt, der von einem konischen Reflektor umgeben ist. Aufgrund der Rotation des Drehspiegels wird das Laserlicht über die Mantelflache des konischen Reflektors gefuhrt. Aufgrund der damit verbundenen schnellen Bewegung erfolgt eine Mischung der Interferenzerscheinungen, wodurch diese nicht mehr visuell wahrge- nommen werden können.
Aus WO 01 /35451 AI ist eine Anordnung bekannt, bei der mittels einer Vielzahl von Einzelreflektoren ein Laserstrahlenbundel in einzelne Teilstrahlenbundel aufgespalten wird, die unterschiedliche optische Weglangen zurückzulegen haben, wobei die Weglangenunterschiede großer als die zeitliche Koharenzlange sind. Dabei wird jeder Anteil des Laserstrahlenbundels lediglich ein Mal reflektiert. Nachteilig dabei ist, daß aufgrund der Vielzahl der im Vergleich zu der Wellenlange verhältnismäßig großen Einzelreflektoren Abschattungseffekte auftreten, welche die Strahlungsintensität in einem unerwünschten Maße vermindern. Außerdem tritt eine Strahlauf- weitung auf, die durch geeignete optische Elemente kompensiert werden muß.
Beschreibung der Erfindung
Von diesem Stand der Technik ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrun- de, eine Anordnung zur Verminderung der unerwünschten Speckle zu schaffen, die mit einfachen optischen Mitteln einen hohen Wirkungsgrad erzielt.
Erfindungsgemaß ist eine Anordnung vorgesehen, die im wesentlichen besteht aus einem optischen Umlauf, mindestens einem Einkoppelelement zur Einkopp- lung eines Lichtfeldes in den optischen Umlauf und mindestens einem Auskoppelelement, wobei das eingekoppelte Lichtfeld oder ein Teil dieses Lichtfeldes wiederholt den optischen Umlauf durchläuft und dabei die Wellenfront des Lichtfeldes zumindest teilweise deformiert wird, und wobei
Teile des Lichtfeldes ausgekoppelt werden, wenn sie den optischen Umlauf ein Mal oder mehrere Male durchlaufen haben.
Dabei wird das Lichtfeld mit einer gegebenen Wellenfront in den optischen Umlauf eingekoppelt. Während des ständig wiederholten Durchlaufens des optischen Umlaufes werden Anteile des Lichtfeldes aus dem Umlauf ausgekoppelt, deren Wellen- fronten voneinander abweichen. Handelt es sich um gepulste Laserstrahlung, sind die Weglängen, die die einzelnen Anteile des Lichtfeldes zurücklegen, größer als die zeitliche Kohärenzlänge.
In der erfindungsgemäßen Anordnung sind Mittel vorhanden, durch welche die ge- trennt aus dem Umlauf ausgekoppelten Anteile des Lichtfeldes einander überlagert werden. Die überlagerten Anteile des Lichtfeldes werden aus der Anordnung herausgeführt und stehen nachfolgend als Lichtbündel für Beleuchtungszwecke unter Vermeidung störender Speckle zur Verfügung.
Auf diese Weise entstehen aus einem einfallenden Einzelpuls der Laserstrahlung mehrere, sich überlagernde Teilpulse. Aufgrund der vielfachen Aufspaltung des Lichtfeldes in mehrere Anteile sowie aufgrund der zeitlichen Verzögerung der einzelnen Anteile vor ihrer Zusammenführung wird die Kohärenz soweit vermindert, daß Speckle nicht mehr oder nur noch in einem Maße auftreten, das nicht mehr als störend empfunden wird.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, daß keine Strahlung zurück in die Richtung des einfallenden Lichtfeldes gelenkt und somit eine hohe Effizienz in der Wirkung erzielt wird.
In einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung wird der optische Umlauf durch zwei Strahlteiler gebildet. Dabei trennt ein erster Strahlteiler das eingekoppelte Lichtfeld in zwei Teilfelder auf. Ein erstes dieser beiden Teilfelder gelangt über einen kürzeren optischen Weg, bevorzugt direkt, zu dem zweiten Strahlteiler. Das zweite dieser Teilfelder gelangt über einen längeren optischen Weg, beispielsweise über Reflektoren umgelenkt, zu dem zweiten Strahlteiler. An der Teilerschicht des zweiten Strahlteilers treffen beide Teilfelder wieder zusammen, wobei die Differenz der optischen Weglängen, bezogen auf die beiden Teilfelder, größer ist als die zeitliche Kohärenz.
Von der Teilerschicht des zweiten Strahlteilers tritt ein Anteil der dort zusammengeführten Strahlung aus dem Umlauf aus, während der übrige Anteil, beispielsweise über Reflektoren, wieder zum ersten Strahlteiler geführt und dort erneut in zwei Teilfelder aufgespalten wird, die wiederum über unterschiedliche optische Weglängen zum zweiten Strahlteiler gelangen, dort wieder zusammentreffen und dabei zu einem Teil aus dem Umlauf ausgekoppelt und zum übrigen Teil wieder zum ersten Strahlteiler zurückgeführt werden usw.
In einer Ausgestaltung der Erfindung wird der optische Umlauf mit einem Strahlteiler realisiert, der das eingekoppelte Lichtfeld in zwei Teilfelder trennt, wonach ein erstes Teilfeld ausgekoppelt und das zweite Teilfeld über Reflektoren so umgelenkt wird, daß es wieder zum Strahlteiler gelangt und dort in zwei Anteile getrennt wird, von denen ein erster Anteil ausgekoppelt und der zweite Anteil über weitere Reflektoren zum Strahlteiler zurückgeführt wird.
Dabei treffen das eingekoppelte Lichtfeld und der jeweils zurückgeführte Strahlungsanteil auf die einander parallel gegenüberliegenden Einstrahlflächen der Teilerschicht, wobei die Richtung des einfallenden Lichtfeldes und die Richtung des auf die Teilerschicht fallenden Strahlungsanteils ein Winkel von 90' miteinander einschließen.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist mit einem Reflexionsgitter ausgestattet, auf welches das eingekoppelte Lichtfeld trifft, und weist weiterhin einen Strahlteiler auf, auf den das am Reflexionsgitter gebeugte Licht gerichtet ist. Von dem gebeugten Licht tritt ein erster Anteil durch die Teilerfläche des Strahlteilers hindurch und wird danach aus dem optischen Umlauf ausgekoppelt, während der übrige Anteil, beispielsweise über einen Reflektor, zum Reflexionsgitter zurückgeführt wird.
Der zurückgeführte Anteil wird am Reflexionsgitter zum Teil gebeugt und auf die Teilerfläche des Strahlteilers gerichtet, dort wieder teils ausgekoppelt und teils zum Reflexionsgitter zurückgeworfen usw., wobei sich die jeweils ausgekoppelten Strahlungsanteile mischen.
Auch hierbei wird aufgrund der vielfachen Aufspaltung und der Weglängendifferenz der jeweils an der Teilerschicht des Strahlteilers zusammengeführten Strahlungsanteile die Kohärenz der Laserstrahlung vermindert.
Weiterhin ist in einer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung vorgesehen, daß der optische Umlauf mittels zweier Reflexionsgitter erzeugt wird.
Dabei trifft das eingekoppelte Licht zunächst auf ein erstes Reflexionsgitter. Das am ersten Reflexionsgitter in die erste Ordnung gebeugte Licht ist auf ein zweites Reflexionsgitter gerichtet. Von dem zweiten Reflexionsgitter wird wieder ein Teil des auftreffenden Lichts in die erste Ordnung gebeugt und ausgekoppelt.
Weiterhin ist ein Planspiegel vorgesehen, auf den sowohl der am ersten Reflexionsgitter nicht in die erste Ordnung gebeugte Strahlungsanteil als auch der am zweiten Reflexionsgitter nicht in die erste Ordnung gebeugte Strahlungsanteil gerichtet ist, und von dem der vom ersten Reflexionsgitter kommende Strahlungsanteil auf das zweite Reflexionsgitter und der vom zweiten Reflexionsgitter kommende Strahlungsanteil auf das erste Reflexionsgitter gerichtet wird.
An jedem der beiden Reflexionsgitter wird nun wiederum ein Teil des auftreffenden Lichts in die erste Ordnung gebeugt, wobei das am ersten Reflexionsgitter gebeugte Licht direkt auf das zweite Reflexionsgitter gerichtet ist und das am zweiten Reflexionsgitter gebeugte Licht aus dem Umlauf ausgekoppelt und mit den übrigen ausgekoppelten Strahlungsanteilen gemischt wird. Auch hier wird aufgrund der vielfachen Aufspaltung die Kohärenz vermindert und bei Verwendung des ausgekoppelten Lichtes zu Beleuchtungszwecken das Entstehen von Speckle vermieden oder zumindest reduziert.
Bevorzugt sind die beiden Reflexionsgitter mit identischer Strichzahl und mit identischen Winkelverhältnissen ausgebildet. Weiterhin ist die Effizienz des zweiten Reflexionsgitters geringer als die Effizienz des ersten Reflexionsgitters, wodurch am zweiten Reflexionsgitter lediglich ein geringer Anteil des umlaufenden Lichts in die erste Ordnung gebeugt und aus dem Umlauf ausgekoppelt wird, während der über- wiegende, nicht gebeugte Anteil am zweiten Reflexionsgitter in die spekulare Ordnung reflektiert und mittels des Planspiegels so abgelenkt wird, daß er unter dem selben Winkel wie das eingekoppelte Lichtfeld, jedoch spiegelbildlich zur Gitternormalen auf das erste Reflexionsgitter trifft.
Als Reflexionsgitter sollten symmetrische Gitter verwendet werden, deren Gitterkonstante in der Größenordnung der Wellenlänge des eingekoppelten Lichts liegt.
In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist in den opti- sehen Umlauf ein phasenfrontveränderndes Element eingeordnet, das dem jeweils durchlaufenden Lichtfeld eine Phasenfrontveränderung von etwa einer halben Wellenlänge aufprägt. Als phasenfrontverändernde Elemente können dabei vorgesehen sein: statische Elemente wie Keilplatten, Streuscheiben, Linsen- oder Spiegelarrays, diffraktive Elemente, holographische Elemente, Lichtmischstäbe; oder rotierende Elemente, wie drehende Prismen oder Faraday-Rotatoren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig.l eine erste Ausgastaltungsvariante mit zwei Strahlteilern im optischen
Umlauf, Fig.2 eine zweite Ausgastaltungsvariante mit zwei Strahlteilern im opti- sehen Umlauf,
Fig.3 eine erste Ausgastaltungsvariante mit einem Strahlteilern im optischen Umlauf, Fig.4 eine zweite Ausgastaltungsvariante mit einem Strahlteilern im optischen Umlauf, Fig.5 eine Ausgastaltungsvariante mit einem Reflexionsgitter und einem weiteren Element zur Strahlteilung im optischen Umlauf, Fig.6 eine Ausgastaltungsvariante mit zwei Reflexionsgittern im optischen
Umlauf, Fig.7 eine Ausgastaltungsvariante mit einem phasenfrontverändernden Element im Umlauf, Fig.8 die Intensitatsverteilung innerhalb des Strahlenquerschnitts eines von einem Excimer-Laser ausgehenden Laserstrahlenbundels, Fig.9 die Rauschreduzierung von 1 6% bis auf 2,5% nach 1 2 Umlaufen,
Fig.l 0 in der Kurve a eine normierte Intensitatsverteilung und in der Kurve b die Differenz zweier normierter unabhängiger Intensitatsverteilungen.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In einem ersten Ausfuhrungsbeispiel nach Fig.l trifft ein einfallendes Lichtfeld 1 auf einen ersten Strahlteiler 2, der eine Teilerschicht 3 aufweist.
An der Einstrahlflache 3.1 der Teilerschicht 3 erfolgt die Aufspaltung des Lichtfeldes 1 in einen Anteil 4, der durch die Teilerschicht 3 hindurchtritt, und in einen Anteil 5, der von der Teilerschicht 3 in Richtung auf einen Reflektor 6 abgelenkt wird.
Dem ersten Strahlteiler 2 ist ein zweiter Strahlteiler 7 mit einer Teilerschicht 8 nachgeordnet. Der Strahlungsanteil 4 trifft auf die Einstrahlflache 8.1 der Teilerschicht 8, tritt zum Teil durch die Teilerschicht 8 hindurch und verlaßt im Strahlungsanteil 9 die optische Anordnung, wahrend der übrige Teil des Strahlungsanteils 4 von der Teilerschicht 8 in Richtung auf ein Reflektor 1 0 abgelenkt wird.
Der vom ersten Strahlteiler 2 kommende Strahlungsanteil 5 trifft auf den Reflektor 6, wird in Richtung auf einen Reflektor 1 1 gelenkt und von diesem auf die Einstrahlflache 8.2 der Teilerschicht 8 gerichtet.
Wenn die Strahlungsanteile 4 und 5 den zweiten Strahlteiler 7 erreichen, hat der Strahlungsanteil 5 einen größeren optischen Weg zurückgelegt als der Strahlungsanteil 4. Dabei ist die Differenz der optischen Weglange großer als die zeitliche Koharenzlange eines Laserpulses im einfallenden Lichtfeld 1 .
Vom Strahlungsanteil 5 tritt ein Anteil durch die Teilerschicht 8 hindurch und mischt sich danach mit dem von der Teilerschicht 8 abgelenkten Licht des Strahlungsanteils 4. Dagegen mischt sich das an der Einstrahlflache 8.2 der Teilerschicht 8 abgelenkte Licht des Strahlungsanteils 5 mit dem durch die Teilerschicht 8 hindurch- tretenden Licht des Strahlungsanteils 4 und verlaßt mit dem Strahlungsanteil 9 die optische Anordnung. Der Strahlungsanteil 1 2, in dem wie dargelegt Licht aus den Strahlungsanteilen 4 und 5 gemischt ist, wird über den Reflektor 1 0 und einen weiteren Reflektor 1 3 wieder zum Strahlteiler 2 zurückgeführt und trifft dort auf die Einstrahlfläche 3.2 der Teilerschicht 3, die der Einstrahlfläche 3.1 parallel gegenüberliegt.
Das führt dazu, daß ein Teil des Lichts des Strahlungsanteils 1 2 von der Teilerschicht 3 in die Richtung des Strahlungsanteils 4 gelenkt wird und sich mit diesem mischt, während der übrige Teil durch die Teilerschicht 3 hindurchtritt, sich mit dem Strahlungsanteil 5 mischt und mit diesem über die Reflektoren 6 und 1 1 wieder zum zweiten Strahlteiler 7 gelangt.
Im Strahlteiler 7 erfolgt die Aufspaltung wie bereits beschrieben, so daß unterschiedliche Strahlungsanteile unterschiedlich oft den Umlauf durchlaufen und nach ihrer Auskopplung miteinander vereinigt werden, wobei sich aufgrund der mehrfachen Aufspaltung und der optischen Weglängendifferenz Veränderungen der Wellenfronten der einzelnen Strahlungsanteile und infolge dessen eine Reduzierung der Kohärenz in dem aus der Anordnung austretenden Laserlicht ergeben.
In Fig.2 ist das Prinzip eines weiteren Ausführungsbeispieles dargestellt, in dem ebenfalls zwei Strahlteiler zur Kohärenzreduzierung genutzt werden.
Hierbei trifft das einfallende Lichtfeld 1 auf die Einstrahlfläche 1 5.1 der Teilerschicht 1 5 eines ersten Strahlteiler 1 4. Dabei wird das einfallende Lichtfeld 1 aufgespalten in einen Strahlungsanteil 1 6, der durch die Teilerschicht 1 5 hindurchtritt und auf einen Reflektor 1 7 gerichtet ist, und einen Strahlungsanteil 1 8, der auf einen Reflektor 1 9 gerichtet ist.
Die beiden Strahlungsanteile 1 6 und 1 8 werden nach Reflexion an den Reflektoren 1 7 bzw. 1 9 in einem zweiten Strahlteiler 20 mit der Teilerschicht 21 wieder zusammengeführt. Dabei trifft der Strahlungsanteil 1 6 auf die Einstrahlfläche 21 .1 der Teilerschicht 21 , tritt mit einem Strahlungsanteil 22 durch die Teilerschicht 21 hindurch, während der übrige Strahlungsanteil 23 von der Teilerschicht 21 abgelenkt wird und aus der optischen Anordnung austritt. Der Strahlungsanteil 1 8 wird von der Teilerschicht 21 ebenfalls aufgespalten, wobei ein Anteil durch die Teilerschicht 21 hindurchtritt, sich mit dem Strahlungsanteil 23 mischt und mit diesem die optische Anordnung verläßt, während der übrige Strahlungsanteil an der Einstrahlfläche 21 .2 der Teilerschicht 21 in die Richtung des Strahlungsanteils 22 abgelenkt wird und sich mit diesem mischt.
Diese gemischten Strahlungsanteile 22 werden über Reflektoren 24, 25, 26 und 27 wieder zum Strahlteiler 14 zurückgeführt und treffen dort auf die Einstrahlfläche 1 5.2, die der Einstrahlfläche 1 5.1 an der Teilerschicht 1 5 parallel gegenüberliegt. Dabei schließt die Richtung, in welcher der Strahlungsanteil 22 auf die Teilerschicht 1 5 trifft, mit der Richtung, in der das Lichtfeld 1 auf die Teilerschicht 1 5 fällt, ein Winkel von 90' ein.
Der Strahlungsanteil 22 tritt zum Teil durch die Teilerschicht 1 5 hindurch und er- reicht über den Reflektor 1 9 wieder den zweiten Strahlteiler 20, wird dort zum Teil an der Einstrahlfläche 1 5.2 in Richtung des Strahlungsanteils 1 6 abgelenkt und erreicht gemischt mit diesem über den Reflektor 1 7 die Einstrahlfläche 21 .1 der Teilerschicht 21 .
Hier erfolgt wiederum eine Aufspaltung, indem diese bereits gemischte Strahlung teils durch die Teilerschicht 21 hindurchtritt und über die Reflektoren 24 bis 27 wieder zum ersten Strahlteiler 1 4 zurückgeführt wird, teils an der Einstrahlfläche 21 .1 in Richtung des Strahlungsanteils 23 abgelenkt wird und gemischt mit diesem die optische Anordnung verläßt.
In den Strahlungsanteil 23 werden also ständig weitere Strahlungsanteile eingemischt, die unterschiedliche optische Wege durchlaufen haben, wobei auch hier zu beachten ist, daß die Differenz der optischen Weglängen größer ist als die zeitliche Kohärenz eines Pulses der Laserstrahlung.
In Fig.3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Hier trifft das einfallende Lichtfeld 1 zunächst auf die Einstrahlfläche 30.1 einer Teilerschicht 30 und wird dabei in einen Strahlungsanteil 31 und einen Strahlungsanteil 32 aufgespalten.
Der Strahlungsanteil 31 trifft auf einen Reflektor 33 und wird wieder zur Teilerschicht 30 hin reflektiert, trifft dabei auf die Einstrahlfläche 30.2, wird dabei mit einem Strahlungsanteil 34 abgelenkt, der die optische Anordnung verläßt und tritt mit dem übrigen Strahlungsanteil 35 durch die Teilerschicht 30 hindurch und trifft dabei auf Reflektoren 36, 37, 38 und 39, durch die er umgelenkt wird und nun auf die Einstrahlfläche 30.2 der Teilerschicht 30 gerichtet ist.
Dabei erfolgt wiederum eine Aufspaltung dieses Strahlungsanteils 35, wobei der Strahlungsanteil 35 teils in Richtung des Strahlungsanteils 31 umgelenkt wird und sich mit diesem mischt, zum übrigen Teil durch die Teilerschicht 30 hindurchtritt und danach auf einen Reflektor 40 und von diesem wieder auf die Einstrahlfläche 30.1 der Teilerschicht 30 gerichtet ist.
Dieser mit dem Strahlungsanteil 32 gemischte Teil des Strahlungsanteils 35 tritt zum Teil durch die Teilerschicht 30 hindurch, mischt sich dabei mit dem Strahlungsanteil 34, wird zum Teil an der Einstrahlfläche 30.1 abgelenkt, mischt sich dabei mit dem Strahlungsanteil 35 und erreicht über die Reflektoren 36, 37, 38 und 39 wiederholt die Teilerschicht 30.
Auch hier treten aus der optischen Anordnung miteinander vermischte Strahlungsanteile aus, die jeweils unterschiedliche optische Weglängen durchlaufen haben und die somit als Beleuchtungsstrahlung zur Verfügung stehen, die gegenüber dem einfallenden Lichtfeld eine reduzierte Kohärenz aufweist.
In Fig.4 ist eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung mit nur einem Strahlteiler dargestellt.
Dabei trifft das einfallende Lichtfeld 1 auf die Einstrahlfläche 43.1 der Teilerschicht 43 eines Strahlteilers 44, wobei ein Strahlungsanteil 45 durch die Teilerschicht 43 hindurchtritt und die optische Anordnung verläßt. Ein zweiter Strahlungsanteil 46 wird von der Einstrahlfläche 43.1 abgelenkt und erreicht über Reflektoren 47, 48, 49 und 50 wieder den Strahlteiler 44, trifft dabei jedoch auf die Einstrahlfläche 43.2, die parallel zur Einstrahlfläche 43.1 der Teilerschicht 43 ausgerichtet ist.
Dabei tritt der Strahlungsanteil 46 zum Teil durch die Teilerschicht 43 hindurch und vermischt sich mit dem vom einfallenden Lichtfeld 1 ebenfalls in diese Richtung abgelenkten Strahlungsanteil 46, und wird z.T. an der Einstrahlfläche 43.2 in die Richtung des Strahlungsanteils 45 abgelenkt, mischt sich mit diesem Strahlungsanteil 45 und tritt mit diesem aus der optischen Anordnung aus.
Auch in diesem Fall wird nach wiederholter Aufspaltung der Strahlung in einzelne Strahlungsanteile, die, nachdem sie unterschiedliche optische Weglängen zurückgelegt haben, wieder zusammengeführt werden, am Ausgang der optischen Anordnung eine Strahlung mit weitestgehend homogenisierter Strahlungsintensität und mit reduzierter Kohärenz zu Beleuchtungszwecken zur Verfügung gestellt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig.5 dargestellt. Hier trifft das einfallende Lichtfeld 1 auf ein Reflexionsgitter 53, wobei ein Strahlungsanteil 54 in Richtung auf einen Strahlteiler 55 gebeugt wird. An der Teilerfläche 56 des Strahlteilers 55 wird der Strahlungsanteil 54 in einen Anteil 57, der durch die Teilerschicht 56 hindurchtritt und die optische Anordnung verläßt, und in einen Anteil 58, der an der Teiler- schicht 56 in Richtung auf einen Reflektor 59 umgelenkt wird, aufgespaltet.
Der Reflektor 59 ist so ausgerichtet, daß der Anteil 58 wieder auf das Reflexionsgitter 53 trifft, wobei die Einstrahlungsrichtung denselben Winkel φ mit der Normalen auf das Reflexionsgitter einschließt wie die Einstrahlungsrichtung des einfallenden Lichtfeldes 1 . Dabei treffen das einfallende Lichtfeld 1 und der Anteil 58 spiegelsymmetrisch aus unterschiedlichen Richtungen auf das Reflexionsgitter 53.
Beim Auftreffen auf das Reflexionsgitter 53 wird von dem Anteil 58 wieder ein Teil in Richtung auf den Strahlteiler 55 gebeugt und an dessen Teilerschicht 56 wieder- um aufgespalten, wie bereits beschrieben.
Damit steht auch in diesem Fall am Ausgang der optischen Anordnung eine zu Beleuchtungszwecken geeignete Laserstrahlung zur Verfügung, die aus verschiedenen Strahlungsanteilen zusammengesetzt sind, die unterschiedliche optische Weglängen durchlaufen haben.
In dem Ausführungsbeispiel nach Fig.6 trifft das einfallende Lichtfeld 1 zunächst auf ein Reflexionsgitter 62, von dem z.B. ein in die erste Ordnung gebeugter Strahlungsanteil 63 auf ein zweites Reflexionsgitter 64 gerichtet ist, während ein reflek- tierter zweiter Strahlungsanteil 65 zu einem Reflektor 66 gelangt, der so ausgerich- tet ist, daß der Strahlungsanteil 65 entgegengesetzt zur Einfallsrichtung des Strahlungsanteils 63 auf das Reflexionsgitter 64 trifft.
Von den beiden aus entgegengesetzten Richtungen auf das Reflexionsgitter 64 tref- fenden Strahlungsanteilen 63 und 65 werden jeweils Anteile gebeugt und zu einem Strahlungsanteil 67 gemischt, der aus der optischen Anordnung austritt und als Beleuchtungslicht zur Verfügung steht.
Der am Reflexionsgitter 64 nicht gebeugte Teil des Strahlungsanteils 63 wird genau entgegengesetzt zur Richtung des eintreffenden Strahlungsanteils 65 auf den Reflektor 66 gelenkt und von diesem, weiterhin entgegengesetzt zur Strahlungsrichtung des Strahlungsanteils 65, zurück auf das Reflexionsgitter 62 gerichtet.
Dabei schließt diese Einstrahlungsrichtung mit der Normalen auf das Reflexionsgit- ter 62 denselben Winkel φ ein, wie die Einstrahlungsrichtung des einfallenden Lichtfeldes 1 mit der Normalen auf das Reflexionsgitter 62, wobei jedoch die Auftreffrichtungen gegensinnig verlaufen. Am Reflexionsgitter 62 erfolgt nun wiederum eine Beugung des entgegengesetzt zum Strahlungsanteil 65 auftreffenden Lichts zum Reflexionsgitter 64 hin, wobei dieser Teil sich mit dem Strahlungsanteil 63 wie auch mit dem zugleich eintreffenden und gebeugten Teil des einfallenden Lichtfeldes 1 mischt.
Dieser optische Umlauf ist ohne transmittive Elemente aufgebaut und deshalb vorteilhaft für weite Wellenlängenbereiche des Beleuchtungslichts nutzbar. Das ist ins- besondere für solche Wellenlängen von Interesse, bei denen keine oder ungenügend transmittive Materialien zum Aufbau von Strahlteilern zur Verfügung stehen, wie beispielsweise bei den Wellenlängen des tiefen UV-Lichts.
Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht weiterhin darin, daß auf- grund der ungeraden Zahl der einbezogenen optischen Elemente je Umlauf eine Umklappung der Wellenfront erfolgt, was zu einer zusätzlichen Durchmischung der einzelnen Strahlungsanteile führt.
Die Reflexionsgitter 62 und 64 können in diesem Ausführungsbeispiel sinngemäß als Dreifach-Strahlteiler aufgefaßt werden. Da sowohl die spekulare als auch die gebeugten Ordnungen geometrisch innerhalb des optischen Umlaufs liegen, können mehrere Durchläufe realisiert werden, was eine weitere Verbesserung des Signal- Rausch-Verhältnisses in einer optischen Abbildung zur Folge hat, zu der das so homogenisiert bzw. hinsichtlich der Kohärenz reduzierte Beleuchtungslicht verwendet wird.
Die Reflexionsgitter 62 und 64 sind symmetrisch ausgeführt, und ihre Gitterkonstanten liegen jeweils in der Größenordnung der Wellenlänge des einfallenden Lichtfeldes 1 .
Eine Besonderheit besteht darin, daß das einfallende Lichtfeld 1 unter einem Winkel φin so in das Reflexionsgitter 62 eingestrahlt wird, daß der Winkel φd der ersten gebeugten Ordnung gerade 0 ist und damit mit der Gitternormalen zusammenfällt. Die zweite gebeugte Ordnung ist somit immer in Autokollimation, d.h. sie fällt mit dem Einfallswinkel zusammen.
Das Reflexionsgitter 62 ist mit einer verhältnismäßig hohen Effizienz ausgebildet. Licht des einfallenden Lichtfeldes 1 wird in die erste Ordnung gebeugt und somit in den Umlauf eingekoppelt. Es gelangt zum zweiten Reflexionsgitter 64. Dabei sind die Strichzahl und die Winkelverhältnisse am Reflexionsgitter 64 gleich denen am Reflexionsgitter 62, jedoch ist die Effizienz des Reflexionsgitters 64 geringer ausgebildet.
Entsprechend der gewählten Effizienz des Reflexionsgitter 64 wird ein Teil des auftreffenden Lichts in die erste Ordnung gebeugt und in den Strahlungsanteil 67 ein- gemischt.
Der größere Teil jedoch wird in die spekulare Ordnung reflektiert und mit Hilfe des Reflektors 66 so umgelenkt, daß er unter dem selben Winkel φ wie das einfallende Lichtfeld 1 , jedoch auf der gegenüberliegenden Seite der Gitternormalen, auf das Reflexionsgitter 62 fällt. Wegen der Gittersymmetrie wird in Abhängigkeit von der Gittereffizienz erneut Licht in die erste Ordnung gebeugt, die geometrisch mit der ersten Ordnung des einfallenden Lichtfeldes 1 übereinstimmt. Damit wird der optische Umlauf geschlossen.
Das in Abhängigkeit von der Effizienzverteilung an den Reflexionsgittern 62 und 64 in die zweite Ordnung gebeugte Licht durchläuft den Umlauf in entgegengesetzter Richtung und erfahrt bis zur Einmischung in den Strahlungsanteil 67 bzw. bis zur Auskopplung aus der erfindungsgemaßen optischen Anordnung Veränderungen der optischen Weglangen, die vom eigentlichen Umlauf verschieden sind. Dies hat eine noch stärkere Durchmischung der Phasenfronten zur Folge und erhöht somit den Effekt bei der Vermeidung von Speckle.
Die optische Weglange des Umlaufs sollte möglichst großer sein, als die Koharenzlange des Lichts, wodurch erreicht wird, daß sich die ausgekoppelten Teilfelder in den Intensitäten addieren, nicht aber in den Amplituden, so daß es nicht zu uner- wünschten Interferenzerscheinungen kommt.
In den Strahlengang zwischen dem Reflexionsgitter 62 und dem Reflexionsgitter 64 kann ein optisches, die Phasenfront des Lichtes beeinflussendes Element gestellt werden, das bei jedem Umlauf vom Licht passiert wird, so daß sich bei jedem Um- lauf eine unterschiedliche Phasenfront einstellt.
In einem letzten Ausfuhrungsbeispiel schließlich, das in Fig.7 dargestellt ist, tritt das einfallende Lichtfeld 1 durch ein phasenfrontveränderndes Element 69 hindurch und wird danach in einen Strahlungsanteil 70 und einen Strahlungsanteil 71 aufge- zweigt. Die Aufzweigung kann mit einem Strahlteiler 72 erfolgen.
Wahrend der Strahlungsanteil 70 aus der optischen Anordnung austritt, wird der Strahlungsanteil 71 (beispielsweise über Reflektoren 73, 74) zurückgeführt, mittels eines Strahlteilers 75 wieder in das einfallende Lichtfeld 1 eingekoppelt und durch- lauft gemeinsam mit diesem wieder das phasenfrontverandernde Element 69.
Damit wird das phasenfrontverandernde Element 69 von verschiedenen Strahlungsanteilen mehrfach und verschieden oft durchlaufen, wodurch die Effizienz der Speckle-Reduzierung erhöht wird.
Nach bisherigem Stand der Technik wird bei Beleuchtungssystemen, die mit pulsbetriebenen Lasern arbeiten, das Speckle-Muster der einzelnen Pulse zueinander verschmiert und es wird dann über die Pulse gemittelt. Anders dagegen bei der erfindungsgemaßen Anordnung, mit der erreicht wird, daß das Speckle-Muster innerhalb eines einzelnen Pulses „verschmiert". Damit ist eine Erhöhung des Signal-Rausch-Verhaltnisses auch im Einzelpulsbetrieb möglich.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemaßen optischen Anordnung besteht darin, daß mechanisch bewegte optische Elemente nicht erforderlich sind. So entfallt beispielsweise das Rotieren einer Streuscheibe
Generell kann beim Aufbau der erfindungsgemaßen Anordnung durch den Einsatz diffraktiver optischer Elemente die Anzahl der transmittiven optischen Elemente reduziert werden, darüber hinaus kann auf transmittive Elemente auch ganz verzichtet werden. Das hat vorteilhaft zur Folge, das derartige Anordnungen auch für Wellenlangen geeignet sind, bei denen wenig oder keine absorptionsarmen Materialien verfugbar sind, wie insbesondere im tiefen UV-Bereich.
Ein optischer Umlauf, wie in Fig.7 dargestellt, kann als optischer Resonator aufgefaßt werden, der als optisches Filter wirkt und insofern die Spektraldichte des Frequenzrauschens im transmittierenden Feld verringert. Die Bandbreite des transmit- tierten Feldes ergibt sich aus der Faltung der Bandbreite des primären Feldes, d h. des einfallenden Lichtfeldes, mit der Transferfunktion dieses Filters.
Ist die Bandbreite des Filters breit gegenüber der Bandbreite des Feldes, ist die ungewollte Verringerung der spektralen Dichte des Frequenzrauschens des Lichtfeldes nicht gegeben. Dies kann sich aus den relativ hohen Kopplungsraten der damit em- hergehenden niedrigen Finesse ergeben.
Zusatzlich kann der Umlauf technisch so realisiert werden, daß kein stabiler Resonator entsteht und sich somit keine Resonatormode ausbilden kann.
Weiterhin wird beispielsweise durch Versatz der Umlaufe zueinander das Uberlap- pungsintegral der einzelnen umlaufenden Felder minimiert, und damit der Resonatorkontrast verringert. Durch die Veränderung der Phasenfront pro Umlauf wird weiterhin die Interferenzfahigkeit der einzelnen Teilfelder bzw. Strahlungsanteile miteinander zerstört. Als phasenfrontveränderndes Element 69 in Fig.7 können beispielsweise Keilplatten vorgesehen sein, oder rotierende Prismenanordnungen, wie beispielsweise Faraday- Rotatoren.
Das phasenfrontverandernde Element 69 wird mindestens einmal pro Umlauf durchlaufen, so daß nach jedem Umlauf die Phasenfront des Lichtfeldes verschieden von der Phasenfront der vorhergehenden Umlaufe ist.
Es ist denkbar, an Stelle des phasenfrontverandernden Elements ein polarisations- beeinflussendes Element zu nutzen, so daß sich pro Umlauf ein unterschiedlicher Polarisationszustand einstellt.
Da die verschiedenen Teilfelder bzw. Strahlungsanteile nach ihrer Auskopplung unterschiedlich oft umgelaufen sind, haben sie voneinander verschiedene Phasenfron- ten bzw. Polarisationszustande. Das hat zur Folge, daß innerhalb eines Bildes, zu dessen Darstellung das ausgekoppelte Laserlicht genutzt wird, das Speckle-Muster verschmiert, und das Signal-Rausch-Verhaltnis sowie infolge dessen auch die Bild- qualitat steigt.
Die Figuren 8, 9, 1 0 und 1 1 dienen dazu, die Effizienz der erfindungsgemaßen optischen Anordnung zu dokumentieren.
Dazu ist in Fig.8 zunächst die Intensitatsverteilung innerhalb des Strahlquerschnitts eines von einem Excimer-Laser ausgehenden und in die erfindungsgemaße optische Anordnung einfallenden Lichtfeldes 1 dargestellt. So ist in Fig.8a zu erkennen, daß die Intensität ungleichmäßig über den Laserstrahlquerschnitt verteilt ist. Fig.8b zeigt die Intensitatsverteilung entlang einer Strichgeraden.
In Fig.9, insbesondere im Vergleich der Diagramme a und b, ist die Rauschreduzie- rung von 1 6% bis auf 2,5% nach 1 2 Umlaufen dargestellt.
Fig. l 0 zeigt mit der Kurve a eine normierte Intensitatsverteilung und mit der Kurve b die Differenz zweier normierter unabhängiger Intensitatsverteilungen. Bezugszeichenliste
1 einfallendes Lichtfeld
2 Strahlteiler
3 Teilerschicht
3.1,3.2 Einstrahlflächen
4,5 Strahlungsanteile
6 Reflektor
7 Strahlteiler
8 Teilerschicht
8.1, 8.2 Einstrahlflächen
9 Strahlungsanteil
10 Reflektor
11 Reflektor
12 Strahlungsanteil
13 Reflektor
14 Strahlteiler
15 Teilerschicht
15.1, 15.2 Einstrahlflächen
16,18 Strahlungsanteile
17,19 Reflektoren
20 Strahlteiler
21 Teilerschicht
21.1,21.2 Einstrahlflächen
22,23 Strahlungsanteile
24,25,26,27 Reflektoren
30 Teilerschicht
30.1, 30.2 Einstrahlflächen
31,32,34,35 Strahlungsanteile
33,36,37,38, 39,40 Reflektoren
43 Teilerschicht
43.1,43.2 Einstrahlflächen
44 Strahlteiler
45,46 Strahlungsanteile ,48,49,50 Reflektoren
Reflexionsgitter
Strahlungsanteil
Strahlteiler
Teilerschicht ,58 Strahlungsanteile
Reflektor
Reflexionsgitter gebeugter Strahlungsanteil
Reflexionsgitter
Strahlungsanteil
Reflektor
Strahlungsanteil phasenfrontveränderndes
Element ,71 Strahlungsanteile ,75 Strahlteiler ,74 Reflektoren

Claims

Patentansprüche
1 . Optische Anordnung zur Homogenisierung eines zumindest teilweise kohärenten Lichtfeldes (1 ), insbesondere eines Lasers, vorzugsweise eines Excimer-Lasers, bestehend aus mindestens einem Einkoppelelement, mindestens einem Auskoppelelement und - einem optischen Umlauf, wobei das eingekoppelte Lichtfeld (1 ) oder ein Teil dieses Lichtfeldes (1 ) wiederholt den optischen Umlauf durchlauft und die Wellenfront des Lichtfeldes zumindest teilweise deformiert wird, und wobei zumindest ein Teil des Lichtes nach mindestens einem Durchlauf des optischen Umlaufs ausgekoppelt wird.
2. Optische Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Lichtfeld (1 ) mit einer Wellenfront eingekoppelt wird und bei wiederholtem Durchlaufen des Umlaufes und damit verbundener Wellenfrontdeformation Anteile des Lichtfeldes (1 ) ausgekoppelt werden, deren Wellenfronten voneinander abwei- chen, und daß Mittel zur Überlagerung der Anteile des Lichtfeldes (1 ) mit verschiedenen Wellenfronten vorgesehen sind.
3. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im optischen Umlauf - ein erster Strahlteiler (2) vorgesehen ist, der das eingekoppelte Lichtfeld (1 ) in zwei Strahlungsanteile (4, 5) auftrennt, ein erster dieser Strahlungsanteile (4) über einen kürzeren optischen Weg, bevorzugt direkt, der zweite Strahlungsanteil (5) über einen längeren optischen Weg, bevorzugt umgelenkt über Reflektoren (6, 1 1 ), zu einem zweiten Strahlteiler (7) gelangt, wobei die Differenz der optischen Weglangen großer ist als die zeitliche Kohärenz im Lichtfeld (1 ), und wobei im zweiten Strahlteiler (7) die Strahlungsanteile (4) und die Strahlungsanteile (5) wieder zusammengeführt, zum Teil gemischt aus dem Umlauf ausgekoppelt und zum übrigen Teil gemischt wieder zum ersten Strahlteiler(2) gefuhrt werden, wo erneut eine Aufspaltung erfolgt, die aufgepaltenen Anteile wiederum über die un- terschiedlich langen optischen Wege zum zweiten Strahlteiler (7) gelangen, dort zum Teil aus dem Umlauf ausgekoppelt werden, und zum übrigen Teil wieder zum ersten Strahlteiler (2) zurück gefuhrt werden, und wobei sich dieser Vorgang wiederholt und im Ergebnis der vielfachen Aufspaltung und aufgrund der Weglangendifferenz die Kohärenz vermindert wird.
4. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im optischen Umlauf ein Strahlteiler (44) vorgesehen ist, der das eingekoppelte Lichtfeld (1 ) in zwei Strahlungsanteile (45, 46) trennt, wonach ein erster Strah- lungsanteil (45) aus dem Umlauf ausgekoppelt wird, der übrige Strahlungsanteil (46) über Reflektoren (47, 48, 49, 50) erneut zum Strahlteiler (44) gefuhrt und dort in zwei Strahlungsanteile getrennt wird, von denen ein erster Strahlungsanteil mit dem Strahlungsanteil (45) gemischt ausgekoppelt und der zweite Strahlungsanteil gemischt mit dem Strahlungsanteil (46) über die Reflektoren (47, 48, 49, 50) erneut zum Strahlteiler (44) gefuhrt und dort wieder in zwei Strahlungsanteile getrennt wird, wobei sich dieser Vorgang wiederholt und im Ergebnis der vielfachen Aufspaltung die Kohärenz vermindert wird.
5. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Reflexionsgitter (53), auf welches das eingekoppelte Lichtfeld (1 ) gerichtet ist, und einem Strahlteiler (55), auf den das am Reflexionsgitter (53) in die erste Ordnung gebeugte Licht des Lichtfeldes (1 ) gerichtet ist, wobei - von diesem Licht ein erster Strahlungsanteil (57) durch die Teilerflache (56) des
Strahlteilers (55) hindurchtritt und aus dem Umlauf ausgekoppelt wird, wahrend der übrige Strahlungsanteil (58) über mindestens einen Reflektor (59) zum Reflexionsgitter (53) zurückgelangt, dort wiederum zum Teil gebeugt und auf die Teilerflache (56) gerichtet wird, und wobei - sich dieser Vorgang wiederholt und im Ergebnis der vielfachen Aufspaltung die
Kohärenz vermindert wird.
6. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Umlauf erzeugt wird mit - einem ersten Reflexionsgitter (62), auf das das Lichtfeld (1 ) gerichtet ist, einem zweiten Reflexionsgitter (64), auf welches ein am ersten Reflexionsgitter (62) in die erste Ordnung gebeugter Strahlungsanteil (63) gerichtet ist und von dem ein wiederum gebeugter Strahlungsanteil (67) ausgekoppelt wird, einem Planspiegel (66), auf den der übrige, nicht in die erste Ordnung gebeugte Strahlungsanteil (65) gerichtet ist und von dem der Strahlungsanteil (65) wieder auf das erste Reflexionsgitter (62) geworfen wird, dort wiederum zum Teil in die erste Ordnung gebeugt wird und zum zweiten Reflexionsgitter (64) gelangt, von dort zum Teil mit dem Strahlungsanteil (67) gemischt und aus dem Umlauf ausgekoppelt wird und zum übrigen Teil über den Planspiegel (66) wieder zum er- sten Reflexionsgitter (62) zurückgeworfen wird, wobei sich dieser Vorgang wiederholt und im Ergebnis der vielfachen Aufspaltung die Kohärenz vermindert wird.
7. Optische Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Reflexionsgitter (62, 64) mit identischer Strichzahl und identischen Winkelverhaltnissen ausgebildet sind und die Effizienz des zweiten Reflexionsgitters (64) geringer ist als die Effizienz des ersten Reflexionsgitters (62).
8. Optische Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Reflexionsgitter (62, 64) symmetrische Gitter verwendet werden, deren Gitterkonstanten in der Größenordnung der Wellenlange des eingekoppelten Lichtfeldes (1 ) liegen.
9. Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß - in den optischen Umlauf ein phasenfrontveränderndes Element (69) eingeordnet ist, durch welches dem durchlaufenden Lichtfeld (1 ) eine Phasenfrontverande- rung von etwa einer halben Wellenlange aufgeprägt wird, das durchgelaufene Lichtfeld (1 ) mittels eines Strahlteilers (72) in zwei Strahlungsanteile (70, 71 ) aufgespalten wird, - von denen ein erster Strahlungsanteil (70) ausgekoppelt und der andere Strahlungsanteil (71 ) über Reflektoren (73, 74) zurückgeführt, mittels eines Strahlteilers (75) mit dem Lichtfeld (1 ) gemischt wird und mit diesem das phasenfrontverandernde Element (69) erneut passiert, wobei sich dieser Vorgang wiederholt und im Ergebnis der vielfachen Phasenfrontver- anderung in einzelnen Strahlungsanteilen die Kohärenz vermindert wird.
0. Optische Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als phasenfrontverandernde Elemente (69) statische Elemente wie Keilplatten, Streuscheiben, Linsen- oder Spiegelarrays, diffraktive Elemente, holographische Elemente, Lichtmischstabe oder rotierende Elemente, wie drehende Prismen oder Faraday-Rotatoren, vorgesehen sind.
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