WO2003029875A2 - Beleuchtungsanordnung - Google Patents

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WO2003029875A2
WO2003029875A2 PCT/EP2002/010849 EP0210849W WO03029875A2 WO 2003029875 A2 WO2003029875 A2 WO 2003029875A2 EP 0210849 W EP0210849 W EP 0210849W WO 03029875 A2 WO03029875 A2 WO 03029875A2
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mirror
arrangement according
partial
lighting arrangement
optics
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PCT/EP2002/010849
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Lars Erdmann
Reinhard Steiner
Robert Brunner
Matthias Burkhardt
Jörg BISCHOFF
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Carl Zeiss Microelectronic Systems Gmbh
Carl Zeiss Sms Gmbh
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Publication date
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4233—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application
    • G02B27/4244—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application in wavelength selecting devices
    • G—PHYSICS
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    • G02B27/425—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application in illumination systems

Definitions

  • the invention relates to a lighting arrangement with a coherence reducer having a mirror, which by means of the mirror impresses different phase shifts depending on the position in the beam cross-section and emits it as an illuminating beam bundle by means of the mirror, and with lighting optics arranged downstream of the coherence reducer a micro-optics with a plurality of optical elements, which are arranged in a grid, and a imaging optics arranged downstream of the micro-optics, the illuminating beam bundle striking the micro-optics and thereby emitting a beam from each optical element which can be used by means of the imaging optics to illuminate an object field
  • the coherence reducer serving to reduce the coherence of the radiation beam to such an extent that undesired interference phenomena and speckle in the object field do not occur as far as possible
  • the coherence reducer here comprising three discrete mirror plates arranged one above the other at a predetermined distance from one another.
  • the mirror plates are parallel to one another and inclined by 45 ° with respect to the incident beam of rays, so that approximately one third of the bundle of rays hits the first mirror plate, while two thirds of the bundle of rays pass behind the first mirror plate.Around half of this bundle of rays hits the second mirror plate, while the other half passes behind the second mirror plate and hits the third mirror plate - lenbundle are deflected on the mirror plates in each case by 90 ° so that the illuminating beam is emitted, which has three partial beams with mutually shifted phases due to the different distances during reflection D
  • the coherence reducer described in WO 01/35451 A1 is very complex owing to the discrete mirror plates and the different phase shifts that can be impressed on the radiation beam are limited by the limited number of mirror
  • the mirror has a first mirror element, the surface of which is divided into a plurality of partial mirror surfaces which are arranged parallel to one another and offset in the direction of their normal to one another, the beam of rays supplied to the Partial mirror surfaces are reflected in such a way that partial beams emanate from the partial mirror surfaces and are used to form the illuminating beam with the different phase shifts.
  • phase shifts By structuring the surface of the first mirror element, a large number of discrete or discontinuous phase shifts can be set, which are impressed on the coherent beam upon reflection on the first mirror element, the mirror part surfaces preferably being flat. Then the discrete phase shifts are also staggered.
  • the size of the phase shifts and the size of the sections in the beam cross section, to which the corresponding phase shifts are impressed, can be selected almost as desired and is only limited by the type of structuring.
  • a coherent ray bundle is understood here to mean a ray bundle which has a finite temporal coherence length and which is partially or completely coherent spatially or laterally (ie in the beam cross section).
  • the optical elements of the micro-optics are preferably arranged in a matrix or grid-like manner in one plane. Therefore, the micro-optics can easily be arranged transversely to the direction of propagation of the illuminating beam, so that each optical element is hit by a plane wavefront at the same time. Furthermore, the coherence reducer in the lighting arrangement according to the invention can be designed such that a predetermined phase shift is impressed on the beam for each optical element of the micro-optics. As a result, the phase of a wave front of the radiation striking all optical elements can be set for each optical element in such a way that the interfering interference effects in the object field are suppressed as completely as possible.
  • the optical elements of the micro-optics are arranged in rows and columns and the surface of the first mirror element is structured such that a different phase shift is impressed on the beam supplied for the optical elements of each row or column.
  • the illuminating beam bundle for optical elements in adjacent rows or columns striking the optical elements has a jump-like, different phase, so that interference effects of the partial beam bundle emanating from the optical elements arranged in adjacent rows are reduced.
  • An individual (step-like or discontinuous) phase shift for each optical element can be achieved, for example, by assigning exactly one partial mirror surface of the first mirror element to each optical element.
  • the desired phase shift can thus be achieved with only one optical part (the mirror element with the structured surface), so that the lighting arrangement can be made compact.
  • Each partial mirror surface can also be assigned to exactly one optical element, with several partial mirror surfaces being assigned to the same optical element.
  • the multiple mirror part surfaces are chosen so that even with a certain misalignment of e.g. In the first mirror element only radiation with the desired phase shift strikes the individual optical elements and the radiation from the misaligned partial mirror surfaces preferably strikes the dead zones (the radiation incident thereon does not reach the condenser optics) between the optical elements. This ensures, even in the event of a misalignment, that coherent radiation preferably does not strike adjacent optical elements, so that the adjustment is simplified.
  • the first mirror element comprises a multiplicity of stacked plane-parallel plates (which can each have the same or different thicknesses), the face of the upper plate being set back in relation to the face of the lower plate in the case of two plates lying on top of each other ,
  • the surfaces used for reflection can either be the end faces of the plates (then the width of the mirror part surfaces is determined by the thickness of the plates and the step height by the offset) or one of the plane-parallel sides of the plates (then the width of the mirror part surfaces is determined by the offset and the Step height determined by the plate thickness). In this way, the first mirror element can be implemented very simply.
  • the first mirror element is formed by microstructuring techniques (such as are used, for example, in semiconductor production) and then, if necessary, to be mirrored.
  • microstructuring techniques such as are used, for example, in semiconductor production
  • the offset of adjacent mirror partial surfaces corresponds to at least half the time coherence length of the beam.
  • partially coherent radiation as is emitted in particular by multimode lasers (e.g. excimer laser), since the partially coherent beam has a relatively short temporal coherence length (coherence length in the direction of propagation of the beam).
  • multimode lasers e.g. excimer laser
  • an argon fluoride excimer laser emits a beam with a wavelength of approximately 193 nm and a temporal coherence length of approximately 100 ⁇ m.
  • the temporal coherence length is understood to mean a minimum (preferably the first minimum) of the temporal coherence function.
  • the interference contrast is thus minimal when two beams are superimposed, which have a phase shift by the time coherence length.
  • the specified choice of the offset of the mirror part surfaces ensures that the path difference for two partial beam bundles reflected by neighboring mirror part surfaces corresponds at least to the temporal coherence length.
  • the two partial beam bundles which usually meet adjacent optical elements of the micro-optics, are thus incoherent to one another, since the spatial coherence is reduced or, if possible, eliminated by using the temporal coherence length.
  • a preferred embodiment of the lighting arrangement according to the invention is that the first mirror element, viewed in plan view, has a continuous mirror surface. This ensures that there are virtually no shadowing effects during the reflection on the first mirror element.
  • a first intermediate optics (preferably a 1: 1 imaging optics) can be arranged between the first mirror element and the micro-optics, which images the first mirror element onto the micro-optics.
  • the mirror of the coherence reducer can have a second mirror element arranged upstream of the first mirror element, the surface of which is structured in such a way that it has a plurality of mirror part surfaces which are arranged parallel to one another and offset in the direction of their surface normal, of which the mirror part surfaces partial beam of rays emerging from the second mirror element has different phase shifts for different ones of the optical elements.
  • this second mirror element an improved reduction in coherence can be achieved in a simple manner.
  • the step heights are preferably different for the two mirror elements. If the step heights are specified in multiples of the wavelength of the supplied beam, it is advantageous, for example, that the smallest common multiple of these step heights is as large as possible.
  • the step heights of the two mirror elements preferably differ by at least one order of magnitude.
  • a second imaging optics (preferably a 1: 1 imaging optics) can be provided between the first and second mirror elements, which images the second mirror element onto the first mirror element. This, in turn, effectively prevents mixing of the individual partial beam bundles emanating from the individual mirror partial surfaces.
  • the second mirror element viewed in plan view, can have a continuous mirror surface. As a result, almost the entire incident beam is reflected on the second mirror element, so that the losses caused by the second mirror element are extremely low.
  • the two mirror elements can each be designed as a step mirror, which are rotated relative to one another, preferably by 90 °. This effectively reduces the coherence in two directions in the beam cross section, so that the illuminating beam bundle incident on the micro-optics has an extremely low coherence.
  • the micro-optics can have all the same optical elements and can be designed, for example, as a microlens or shadow mask array.
  • micro-optics which is also called multi-aperture optics
  • the beam of rays supplied hits the mirror element at an angle of incidence which is in the range from 0 to 20 °.
  • the mirror element is preceded by a beam splitter (such as a partially transparent or semitransparent plate which is inclined at 45 ° to the direction of propagation of the beam). This advantageously means that the beam cross-section is not changed during reflection on the mirror element and the shadowing effect is almost completely suppressed.
  • the lighting arrangement according to the invention can be used wherever a field is to be illuminated as homogeneously as possible. This can be the case, for example, in microscopy, with steppers in semiconductor production or also in material processing.
  • lasers such as e.g. Eximer lasers (e.g. krypton fluoride, argon fluoride or fluoride eximer lasers) can be used.
  • Eximer lasers e.g. krypton fluoride, argon fluoride or fluoride eximer lasers
  • the coherence reducer has a diffraction grating which is supplied with the supplied beam and which emits a diffracted beam of a predetermined, non-zeroth order (preferred + 1st or -1st order), which is used for formation of the radiation beam. Due to the diffraction, the diffracted beam has a continuous time offset of adjacent parts of the beam cross section in the plane which is spanned by the incident and the diffracted beam. This advantageously further reduces the interference capability of the illuminating beam.
  • the diffraction grating can be arranged upstream or downstream of the first mirror element and can be designed as a reflective or transmissive diffraction grating.
  • Such diffraction gratings are commercially available, so that the lighting arrangement according to the invention can be easily implemented.
  • At least one of the mirror part surfaces of the first mirror element is structured such that it forms the diffraction grating.
  • all mirror part surfaces can also be structured as diffraction gratings. This leads to the advantage that, in addition to impressing the sudden phase shift due to the reflection of the partial mirror surfaces, a continuous phase shift due to the diffraction is also generated, so that an excellent reduction in the interference capability of the illuminating beam is achieved with a very compact element.
  • the diffraction grating or gratings can be designed such that the current-shaped phase shifts the continuous Nuclear phase shift in different directions in the beam cross section of the illuminating beam are generated.
  • the diffraction grating can be designed as a blazed grating (with a sawtooth profile). This has the advantage that a large part of the diffracted light can be concentrated into a desired diffraction order, so that the loss of light at the diffraction grating is minimized.
  • the diffraction grating can be used in autocollimation (angle of incidence of the incident beam and angle of reflection of the emerging diffracted beam of the desired order of diffraction are the same). As a result, the beam cross-section remains unchanged during diffraction.
  • a further embodiment of the lighting arrangement according to the invention is that the coherence reducer has a beam multiplication device which divides the supplied coherent beam into several partial beams and then combines them into a beam in which the partial beams diverge.
  • the partial beams of the beam bundle hit each optical element with different angles, so that each optical element emits several partial illuminating beams with different directions of propagation that can be used to illuminate the object field.
  • each optical element emits not only one partial illumination beam, but several partial illumination beams with different directions of propagation, as a result of which a more uniform object field illumination can be achieved. Since several optical partial beams emanate from one optical element, the micro-optics can also have fewer optical elements with a greater spacing from one another in comparison to conventional lighting devices, so that if the distance is set according to the lateral coherence length of the coherent beam, there are no or almost no interference effects in the object field occur more.
  • the beam multiplication device can be designed such that the partial beams after the division in the beam multiplication device traverse paths with different optical lengths and only then are brought together to form the beam bundle in which they diverge. In this way, undesired interference effects when the partial beams are brought together can be reduced (or completely suppressed).
  • the beam multiplication device contains a first module, which has a first beam splitter and a first and a second modular arm, each with a (preferably flat) end mirror, the beam bundle striking the first beam splitter being divided into a first partial beam, which in the first module beam is coupled in, and is divided into a second partial beam which is coupled into the second modular arm, wherein at least parts of the partial beams reflected back from the end mirrors to the beam splitter are brought together by means of the first beam splitter into a beam bundle with diverging partial beams, at least one of the Both end mirrors have a flat mirror surface which is arranged such that the angle of incidence of the corresponding partial beam is not equal to 0 °.
  • Both modular arms preferably enclose an angle of 90 °
  • the first module is thus essentially a Michelson interferometer which is detuned with regard to the optical lengths in both modular arms, so that when the reflected partial beams are brought together, interference between the combined partial beams can be reduced and, if appropriate, also completely suppressed. Furthermore, at least one of the end mirrors is somewhat tilted so that the incident and back-reflected partial beam in the corresponding modular arm does not go through the identical path, but enclose an angle of unequal to 0 ° with one another. This makes it possible in the simplest way that the beam bundle united by the first beam splitter contains two diverging beams
  • the optical lengths of the two modular arms can differ by at least half the time coherence length of the supplied beam. This ensures that undesired interference effects (which, for example, were visible in the object field) are completely prevented when the back-reflected partial beams are brought together
  • the temporal coherence length is understood here to mean the coherence length in the direction of propagation of the beam (or a minimum, preferably the first minimum of the temporal coherence function), since both modular arms are run through twice by the corresponding partial beams, so there is a difference in the optical lengths of at least half the temporal one Coherence length the partial beams no longer interfere with each other when superimposed
  • the difference in optical lengths can easily be set to at least half the time coherence length. This is particularly possible with so-called partially coherent radiation.
  • Lich as it is emitted in particular by multimode lasers (eg excimer lasers), since the partially coherent beam has a relatively short time coherence length.
  • an argon fluoride excimer laser emits a beam with a length of 193 nm and a temporal coherence length of approx. 100 ⁇ m.
  • larger coherence lengths in time can also be easily compensated for by changing or adjusting the modular lengths so that the parts superimposed by the beam splitter are no longer capable of interference.
  • the beam multiplication device comprises at least a second module with a second beam splitter and a third and fourth modular arm, each with an end mirror, the partial beams brought together by the first beam splitter hitting the second beam splitter and by this into a third partial beam bundle, the is coupled into the third modular arm, and a fourth partial beam is split, which is coupled into the fourth modular arm, at least parts of the third and fourth partial beams reflected back from the end mirrors of the third and fourth modular arms to the second beam splitter by means of the second beam splitter to form the beam bundle with the Partial beams with diverging directions of propagation are combined, at least one of the two end mirrors of the third and fourth modular arms having a flat mirror surface which is arranged such that the angle of incidence of each of the partial beams of the partial beam of the corresponding modular tower is not equal to 0 °.
  • the second module doubles the number of diverging partial beams in the beam bundle that strikes the micro-optics, as a result of which the uniform illumination of the object field can be improved.
  • the optical path lengths of the third and fourth modular towers can differ by at least half the time coherence length of the beam supplied, so that no undesired interference occurs between the partial beam bundles reflected back from the end mirrors of the third and fourth modular tower and brought together by means of the second beam splitter.
  • the diverging beam coming from the second module need not be aimed directly at the micro-optics. But it can e.g. still further second modules are switched individually one after the other, so that with each further second module the number of partial beams in the beam bundle is doubled, which finally strikes the micro-optics.
  • These further second modules are preferably designed like the second module already described.
  • the modules can be designed such that the modular arms of the first and second modules lie in one plane or in two different planes. This can easily make a compact, at the remaining elements of the lighting device are adapted to the arrangement of the module or its arms.
  • a preferred embodiment of the lighting arrangement according to the invention consists in that the first module comprises two prisms, a first of the two prisms resting with its first side on a first side of the second prism and a beam splitter layer forming the first beam splitter being arranged between the two sides, and the first modular arm being in the first prism and the second modular arm being in the second prism.
  • This provides a simple technical implementation of the first module. Only basic elements that are familiar from optics and are easy to handle (such as prisms and beam splitter layers) need to be appropriately combined.
  • the end mirrors of the two modular arms are realized by mirroring the corresponding prism sides. Appropriate alignment of the prism sides so that total internal reflection takes place can also be used.
  • a third prism is provided, the first side of which rests on the first side of the first prism, the first beam splitter layer being provided in between, and the third side of the third prism resting on a second side of the second prism, a second beam splitter layer being arranged between them.
  • the distance from adjacent optical elements of the micro-optics can be at least as large as the lateral coherence length (coherence length in the beam cross section) of the beam supplied. This virtually completely prevents interference from partial illuminating rays emanating from neighboring optical elements.
  • 1 shows a schematic view of a first embodiment of the lighting arrangement according to the invention
  • 2 shows a microlens array in plan view
  • FIG. 3 shows a schematic view of a second embodiment of the lighting arrangement according to the invention.
  • 4 shows a shadow mask array in plan view
  • 5 shows a schematic view of an embodiment of the lighting arrangement with the shadow mask array
  • FIGS. 1, 3 and 5 shows a schematic perspective illustration of a further development of the step mirror from FIGS. 1, 3 and 5;
  • Fig. 9 is a plan view of the step mirror of Fig. 7;
  • FIG. 10 shows a representation of the microlens array, the condenser optics and the object field of the lighting arrangement from FIG. 1;
  • FIG. 11 shows a representation of the microlens array, the condenser optics and the object field of the lighting arrangement from FIG. 1 with an upstream beam multiplication device;
  • Fig. 12 is a schematic view of an embodiment of the beam multiplier
  • FIG. 13 shows a further embodiment of the beam multiplication device.
  • the lighting arrangement according to the invention comprises a coherence reducer 1, which has a step mirror 2 and a 4f imaging optics 3 arranged downstream of the step mirror 2, as well as a lighting optics with a microlens array 4 and a condenser optics 5.
  • the step mirror 2 is formed from a multiplicity of stacked plane-parallel plates 6 (mirrored quartz plates), the end face 7 of the upper plate 6 being set back in relation to the end face directly below the plate 6 in such a way that a step is formed.
  • the exposed surface of the lower plate 6 then forms a partial mirror surface 8 of the step mirror 2.
  • the step mirror 2 has as many steps (or as many mirror part surfaces 8) as the microlens array 4 comprises microlenses 9 in the drawing plane of FIG. In the embodiment described here, five steps and five microlenses 9 are shown as examples.
  • the microlenses 9 of the microlens array 4 lie in one plane and are arranged in rows and columns (FIG. 2), the microlens array being shown with 5 rows and 10 columns for better clarity, and some of the microlenses 9, for example, in the top view of FIG. 2 are drawn.
  • the microlens array is approximately 3 ⁇ 6 mm in size and the diameter of the microlens 9 is approximately 150 ⁇ m.
  • the step mirror 2 has as many mirror part surfaces 8 as the microlens array comprises 4 rows. Thus, each step of the step mirror 2 is assigned to the microlenses 9 of a row of the microlens array 4.
  • a coherent (or also partially coherent) beam bundle 10 strikes the step mirror 2 and is reflected by it towards the microlens array 4. Due to the steps of the step mirror 2, there are discontinuous or discontinuous phase shifts in the reflected beam 11.
  • a wavefront W of the same phase of the incident beam 10 is shown, which for each reflected beam 11 due to the path differences generated by the step mirror 2 partial beams S1 to S5 (which form the reflected beam 11) proceeding from the steps of the step mirror 2 are offset in the direction of propagation relative to the other partial beams S1 to S5. This is shown by the position of the wave fronts W1 to W5 of the same phase in the partial beams S1 to S5.
  • the offset of the wave fronts is selected by means of the step height H (which is given by the thickness of the plate 6) in the step mirror 2 such that it corresponds to the temporal coherence length of the beam 10.
  • the temporal coherence length corresponds to approximately 100 ⁇ m, so that a step offset of approximately 50 ⁇ m is selected.
  • this results in a path difference of approximately 100 ⁇ m for neighboring partial beams, the path difference being somewhat larger due to the oblique incidence of the beam 10.
  • the angle of incidence of the beam 10 on the mirror part surfaces 8 is approximately 20 ° here.
  • the steps of the step mirror 2 are shown greatly enlarged in the figures in order to be able to represent the step-shaped phase shift in the reflected beam 11.
  • the reflected beam 11 thus contains a plurality of cells in the beam cross section (here five, one cell for each partial beam S1-S5), which are incoherent to one another.
  • the partial beams S1-S5 are therefore no longer capable of interference, even if there is a relatively large lateral or spatial coherence length in the beam 8.
  • the lateral coherence length (coherence length in the beam cross section) can be more than 500 ⁇ m. Due to the described generation of cells in the beam 11 that are offset in the direction of propagation, the lateral or spatial coherence is thus reduced or, if possible, almost completely eliminated by using the temporal coherence.
  • the partial beams S1 - S5 are then imaged onto the microlens array 4 by means of the 4f imaging optics 3.
  • the 4f imaging optics comprise a first and a second lens 12, 13, each of which has a focal length f on the object and image side.
  • the distance of the first line se 12 to the step mirror 2 and the distance of the second lens 13 to the microlens array 4 is f and the two lenses 12, 13 are spaced apart by 2f
  • the 4f imaging optics 3 (in FIG. 1 only the beam path of the partial beam bundle S1 is shown in FIG. 1 for the sake of clarity in the 4f imaging optics 3), the microlenses 9 are acted upon with the illuminating beam bundle 11 in such a way that one each with a partial beam bundle S1 to S5 Row of microlenses 9 is illuminated
  • a wave front striking the microlens array 4 at one point in time has reduced coherence, since this wavefront is composed of different cells (which are not capable of interference).
  • the beam bundles M1-M5 emanating from the microlens array 4 are then directed onto an object field by means of the condenser optics 5 14 (which is preferably spaced from the focal length of the condenser optics 5) so that it is homogeneously illuminated.
  • the phase shifts in the partial beam bundles S1 to S5 mean that the beam bundles M1 to M5 do not interfere with one another, so that no disturbing speckle and disturbing interferences occur.
  • a pupil plane P which lies between the microlens array and the condenser optics 5
  • an adjustable diaphragm (not shown) can also be provided, with which the brightness of the illumination in the object field 14 and the angle spectrum on the Object field 14 -beams can be set.
  • the pupil plane P is here preferably the focal plane of the microlenses 9, so that the distance between the main plane of the microscope 9 and the pupil plane corresponds to the focal length of the microscope
  • the described illumination optics in the described embodiment is a so-called diffractive micro-homogenizer.
  • the illuminating optics can also be designed as an imaging micro-neck homogenizer.
  • a further microlens array is arranged between the microlens array 4 and the condenser optics, which preferably has the same number Has microlenses such as the microlens array 4, with in particular a 1 to 1 assignment between the microlenses of the two microlens arrays.
  • the further microlens array can be designed in the same way as the microlens array.
  • the illumination optics can also be a diffractive or imaging microlens homogenizer or multi-aperture optical homogenizer be trained
  • the oblique incidence of the beam 10 on the step mirror 2 also increases the beam cross section in the plane of the drawing. For example, use it to convert the approximately rectangular cross section of the radiation from the argon fluoride excimer laser into an approximately square shape.
  • the stepped mirror 2 can also be used to adapt the beam cross section to the shape of the microlens array 4, if this is desired.
  • the direction of incidence is reversed (beam 11 falls on the step mirror and is reflected as beam 10), a corresponding reduction in the beam cross section in the plane of the drawing is achieved.
  • the mirror element here the step mirror 2 can thus be used to change the cross section.
  • FIG. 3 A development of the embodiment shown in FIG. 1 is shown in FIG. 3, in contrast to the embodiment shown in FIG. 1 a second step mirror 15 is additionally provided.
  • the second step mirror 15 is formed in the same way as the first step mirror 2 from a plurality of plane-parallel plates 16 which are stacked one on top of the other, the plates being set back in relation to the plate 16 lying directly underneath, so that steps with flat mirror part surfaces 17 are formed.
  • the second is arranged upstream of the first step mirror 2 and is rotated by 90 ° relative to the latter.
  • the second step mirror 12 has a larger step height (the plates 16 are thicker than the plates 6) than the first step mirror 2, so that a reduction in the coherence in both directions in cross-section is possible.
  • step height in the second mirror element 15 ensures that different phase shifts are also impressed on beam bundle positions in the beam cross section which are not immediately adjacent in cross section but are at a greater distance from one another.
  • the step height is preferably chosen so that the same phase shift occurs at the earliest at beam positions whose distance is greater than the spatial coherence length.
  • the step height can be selected such that even the partial light beams emanating from the microlenses 9 in the diagonally opposite corners in the microlens array 4 cannot interfere with one another.
  • the step heights in the first and second mirror elements 2, 15 do not have to be constant, but can vary.
  • the step mirrors 2, 15 can also be seen in cross-section, both rising and falling, and a statistical distribution of the step heights is also possible.
  • the coherent beam 10 falls on the second step mirror 15 (approximately below 20 ° to the surface normal of the mirror surface 17) and is reflected by the latter towards the first step mirror.
  • Partial beams lying one above the other are generated with a phase shift caused by the reflection, only one partial beam 18 with associated wavefront W of the same phase being shown in FIG. 3.
  • the partial beams 18 hit the first mirror element 2 and are reflected by it in the same way as in the embodiment of FIG. 1, so that reference is made to the relevant description.
  • each individual microscope 9 is exposed to incoherent radiation relative to the radiation which strikes the immediately adjacent and possibly further spaced apart microlenses 9.
  • the distance between adjacent microlenses 9 can thus be significantly smaller than the spatial coherence length of the coherent beam 10 without undesired interference effects occurring in the object field 14.
  • a 4f imaging optics (not shown) is arranged between the two step mirrors 2, 15, which images the mirror surface of the second step mirror 15 onto the mirror surface of the first step mirror. This can ensure that due to the existing divergence of the coherent beam 10 there is no (or only a very slight) mixing of the partial beams 18 generated during the reflection at the second step mirror.
  • the shadow mask array 19 has a multiplicity of through holes 20 arranged in columns and rows, the diameter of which is selected such that, due to diffraction effects, a diverging beam of rays emerges behind each hole, which then in the same way as in the above-described embodiments by means of condenser optics 5 is mapped onto the object field (Fig. 5).
  • the diffraction-related image of each through hole 20 has a size adapted to the object field 14.
  • the diameter of the through holes 20 is approximately 10 ⁇ m in the exemplary embodiment described.
  • the diameter of the through holes 20 is smaller than the diameter of the microlenses 9 of the lens array 4, more through holes 20 can be provided with the same beam cross section, so that more quasi-radiation sources are provided which are imaged on the object field.
  • the step level is preferably adjusted so that the gangslocher incoherent parts of the reflecting beam 10 reflected on the step mirror This can be achieved by providing an adjustable aperture (not shown) between shadow mask array 19 and condenser optics 5 a very uniform adjustability of the brightness in the object field
  • annular diaphragm 21 with a circular recess 22 can be arranged directly in front of the condenser optics 5, as is shown in FIG. 5, with which higher diffraction orders than the zeroth diffraction order are dimmed. Thus, if possible, only the zeroth diffraction order is imaged in the object field 14.
  • the ring diaphragm 21 can of course also be arranged between the condenser optics 5 and the object field 14, directly on the condenser optics 5 or, if the condenser optics 5 comprises several optical elements, within the condenser optics 5
  • FIG. 6 A further embodiment of the coherence reducer 1 is shown in FIG. 6, in which the beam 8 can be incident perpendicularly on the step mirror 2.
  • a beam splitter 23 is provided, which is arranged upstream of the step mirror 2.
  • the beam splitter 23 can be a partially transparent plate, the 50% of the incident radiation can be transmitted and the other half reflected.
  • FIG. 6 only the beam path for the radiation that can be used to illuminate the object field 14 is shown.
  • the same elements as those of the embodiment shown in FIG Identified by the same diffraction mark
  • the desired phase shift is also generated in this embodiment, the shading effect on the step mirror 2 practically being eliminated due to the vertical radiation incidence.
  • the coherence reducer 1 shown in FIG. 6 can be used in particular in any of the embodiments described above two such coherence reducers can be rotated by 90 ° (corresponding to the embodiment in FIG. 3)
  • FIG. 7 shows a schematic perspective representation of a development of the step mirror 2 shown in the embodiments of FIGS. 1, 3 and 5.
  • the mirror part surfaces 8 are each structured such that they form a reflective diffraction grating 24 Alignment of the grid furrows shown by the thin lines 25 shown.
  • the grid furrows extend in the Y direction
  • the reflection grating 24 has a sawtooth profile and thus represents a so-called blazed grating. With such a blazed grating, a large part of what is bent on the grating can be seen Light is concentrated on a desired diffraction order In the present example the +1 th or -1 st diffraction order is used The effect of the diffraction gratings 24 is illustrated in the top view which is shown in FIG. 9.
  • the diffraction at the individual diffraction grating of the mirror partial surfaces 8 leads to a continuous time offset in each partial beam bundle S1 to S5 emanating from each mirror partial surface 8 in the plane that is spanned by the incident beam bundles 10 and the corresponding diffracted partial beam bundle S1 to S5.
  • the different time offset caused by the diffraction thus occurs in the Z direction.
  • the abrupt temporal offset of the partial beams emanating or diffracted from the individual partial mirrors 8 in the Y direction is of course also effected.
  • the wavefront W (or the plane of the same emission time) in front of the step mirror 2 and the corresponding wave fronts W1, W2, W3, W4 and W5 after the diffraction and reflection on the step mirror 2 are shown in FIG can be referred to as a step grid element.
  • this step mirror is technologically easy to manufacture.
  • the diffraction gratings 24 on the mirror part surfaces 8 can easily be formed as a blaze grating by known holographic methods.
  • the step mirror 2 shown in FIG. 7 is preferably used in such a way that the diffraction gratings 24 are used in the vicinity of the autocollimation condition.
  • Autocollimation conditions are understood to mean that the angle of the incident beam 10 and the angle of the diffracted beam of the desired order are the same. If work is now carried out in the vicinity of the autocollimation conditions, there is a slight spatial deformation of the beam cross section by the step mirror 2.
  • the structure of Fig. 6 is preferred.
  • FIG. 10 shows the part with the microlens array 4, the condenser optics 5 and the object field 14 of the lighting arrangement from FIG. 1 when the diffracted beams S1 to S5 strike the microlens array 4.
  • the top view is shown in FIG. 10 when the illustration in FIG. 1 corresponds to the side view. To simplify matters, only the level of the same emission time W1 of the partial beam S1 is shown.
  • the imaging by means of the individual microlenses 9 causes the partial wave fronts W11, W12, W13, W14 and W15 to flip over, as a result of which a time offset D or a phase shift between the individual ones of the bundles of rays M6, M7, M8, M9, M10 emanating from the microlenses 9 are present.
  • the individual bundles of rays M6 to M10 do not interfere with one another in the object field 14, so that there are no disturbing speckles and disturbing interferences
  • the diffraction gratings 24 can also be provided separately from the step mirror 2 in the coherence reducer 1.
  • a reflective or transmissive diffraction grating (not shown) can be arranged upstream or downstream of the step mirror 2 in the embodiment of FIG. 1
  • FIG. 11 shows the microlens array, the condenser optics and the object field of the lighting arrangement from FIG. 1 with an upstream beam multiplication arrangement V, which the beam of rays 11 reflected by the step mirror 2 strikes.
  • the 4f imaging optics 3 are located
  • the beam multiplication device V comprises a first and a second module 27, 28, which have essentially the same structure.
  • the first module 27 contains a first beam splitter 29, a first and a second modular arm 30, 31, each with an end mirror 32, 33 and is over a Connecting arm 34 connected to the second module 28, which has a second beam splitter 35 and a third and fourth modular arm 36, 37 i
  • the optical path lengths of the two modular arms 30, 31 and 36, 37 of the two modules 27, 28 are each selected so that they differ by at least half the coherence length of the beam bundle 11 striking the first beam splitter 29.
  • the end mirror 32 of the first modular beam 30 and the end mirror 39 of the fourth modular beam 37 are inclined so that the partial beams striking these end mirrors 32, 39 have an angle of incidence not equal to 0 °
  • the beam 11 coming from the step mirror 2 strikes the first beam splitter 29 which is inclined at 45 ° with respect to the direction of the incident beam 11 and which beams the beam 11 into a first partial beam 40 which is coupled into the first modular arm 30. and split a second partial beam 41, which is coupled into the second modular arm 31.
  • the two partial beams 40, 41 are reflected back to the mirror 32, 33 to the first beam splitter 29, the partial beam 42 reflected at the end mirror 32 having an angle unequal to the incident partial beam 40 0 °, while the partial beam 41 reflected at the end mirror 33 runs back into itself and strikes the first beam plate 29.
  • the beams in the beam multiplication device V only the directions of propagation are shown in FIG. 11.
  • each beam has a certain beam cross section
  • the first beam splitter 29 superimposes parts of the back-reflected partial beams to form a beam 43 which contains two partial beams 44, 45 with divergent directions of propagation which impinge on the second beam splitter 35.
  • the beam 43 is split at the beam splitter 35 and coupled into the third and fourth modular arms 36, 37, and the coupled beams are reflected at the end mirrors 38, 39 back to the second beam splitter 35 and superimposed thereon, so that a emerging beam 47 is generated. that contains four divergent partial beams 48, 49, 50 and 51.
  • the beam multiplication device V therefore corresponds essentially to two series-connected, detuned Michelson interferometers, both the length of the individual arms and the orientation of the end mirrors being detuned.
  • the emerging beam 47 (now drawn as a beam with a spatial extension) now strikes the microlens array 4, the further beam path after the microlens array 4 being drawn in for clarification only for one of the microlenses 9 of the microlens array 4.
  • the beam path is corresponding for the other microlenses 9.
  • the micro-neck Due to the different directions of propagation of the partial beams 48 to 51, the micro-neck generates four focal points or foci in the pupil plane P.
  • four micro-lighting bundles M1, M2, M3, M4 emanate from their micro-focal points, their focal points (or locations with the smallest beam cross-section ) not on top of each other, but next to each other (preferably on one level). This results in a more uniform pupil filling.
  • the object field 14 is then illuminated by means of the condenser optics 5.
  • an adjustable diaphragm (not shown) can also be provided, as is known from microscopy, with which the brightness of the illumination in the object field 14 and the angular spectrum on the Object field 14 striking rays is adjustable. Due to the uniform pupil filling with the many focal points (number of microlenses times the number of partial beams of the beam 47), for example, the brightness can be changed very evenly by varying the diaphragm diameter (without brightness jumps).
  • FIG. 12 shows a compact embodiment of the beam multiplication device V, which comprises only a single detuned Michelson interferometer.
  • the beam multiplication device V contains a 90 ° prism 52 and a further prism 53 which is not a 90 ° prism. Both prisms 52, 53 are arranged such that a beam splitter layer 54 can be provided between the two mutually facing sides H1 and H2, which acts as the first beam splitter.
  • the incident beam or beam bundle 11 strikes through a first catheter side K1 of the first prism 52, passes through the first prism 52 and strikes the beam splitter layer 54. A part of the incident beam 11 is reflected on the beam splitter layer 54 (upwards in FIG. 12) and the other part is transmitted.
  • the reflected part is reflected back to the beam splitter layer 54 on the second catheter side K2 of the first prism 52, which is mirrored.
  • the transmitted part passes through the second prism 53 and is mirrored on the corresponding side K3 of the second prism 53.
  • Reflected back to the beam splitter layer 54 Parts of the beams reflected back are brought together at the beam splitter layer 54 and pass through the second prism 53 and emerge on the third side K4 of the second prism 53 as an emerging beam 47
  • the first modular arm 30 is thus in the first prism 52 and the second modular arm 31 is on the second prism 53.
  • the different optical path lengths in the two modular arms 30, 31 are set by the different sizes of the two prisms 52, 53 since the second side K3 of the second If prism 53 is at an angle of not equal to 90 ° with respect to the incident partial beam (thus the angle of incidence of the partial beam is not equal to 0 °), the emerging beam 47 has two partial beams 48, 49.
  • the two prisms 52, 53 are preferably quartz prisms
  • each beam multiplication device V shown in FIG. 12 can be connected in series, each beam multiplication device V doubling the partial beams with diverging directions of propagation in the emerging beam
  • FIG. 13 A further embodiment of the beam multiplication device V is shown in FIG. 13, in which case three 90 ° -pinsms 55, 56 and 57 (preferably quartz prisms) are provided and thus three detuned Michelson interferometers, which are connected in series, are realized on the hypotenuse side H1 of the first prism 55 each abut the second and third prism 56, 57 with one of their cathetus sides K3, K5, a beam splitter layer 58 being provided in between.
  • the second prism 56 with its second cathetus side K4 lies on the second cathetus side K6 of the third prism 57, again a beam splitter layer 59 being provided in between
  • the two hypotenuse sides H2, H3 of the second and third prism 56, 57 and parts T1, T2 of the two cathetus sides K1, K2 of the first prism 55 are mirrored.
  • three beam splits take place, so that the beam bundle that emerges 47 is composed of eight partial beams
  • the hypotenuse side H2 and H3 of the second and third prism 56, 57 have a corresponding inclination (not shown) to the incident partial rays, so that this partial tilting of the two hypotenuse sides H2 and H3 with eight diverging directions of propagation (not shown) in the outgoing Beams 47 are included.
  • the described beam multiplication devices V can not only be arranged downstream of the step mirror 2, but also upstream. In this case, the diverging beam already strikes the step mirror 2.

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Abstract

Bei einer Beleuchtungsanordnung mit einem einen Spiegel (2) aufweisenden Kohärenzminderer (1), der mittels des Spiegels (2) einem zugeführten kohärenten Strahlenbündel (10) unterschiedliche Phasenverschiebungen in Abhängigkeit von der Position im Strahlquerschnitt einprägt und als Beleuchtungsstrahlenbündel (11) abgibt, und mit einer dem Kohärenzminderer (1) nachgeordneten Beleuchtungsoptik zum Beleuchten eines Objektfeldes, die eine Mikrooptik (4; 19) mit einer Vielzahl von Optikelementen (9; 20), die rasterartig angeordnet sind, und eine der Mikrooptik (4; 19) nachgeordnete Abbildungsoptik (5) umfasst, umfasst der Spiegel ein Spiegelelement (2), dessen Oberfläche in mehrere Spiegelteilflächen (8) aufgeteilt ist, die zueinander parallel angeordnet und in Richtung ihrer Flächennormalen versetzt sind, wobei das zugeführte Strahlenbündel (10) an den Spiegelteilflächen (8) derart reflektiert wird, dass von den Spiegelteilflächen (8) Beleuchtungsteilstrahlenbündel (11) ausgehen, die zusammen das Beleuchtungsstrahlenbündel mit den unterschiedlichen Phasenverschiebungen bilden.

Description

Beleuchtungsanordnung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Beleuchtungsanordnung mit einem einen Spiegel aufweisenden Koharenzminderer, der mittels des Spiegels einem zugefuhrten kohärenten Strahlen- bundel unterschiedliche Phasenverschiebungen in Abhängigkeit von der Position im Strahlquerschnitt einprägt und als Beleuchtungsstrahlenbundel abgibt, und mit einer dem Kohärenz- minderer nachgeordneten Beleuchtungsoptik, die eine Mikrooptik mit einer Vielzahl von Optikelementen, die rasterartig angeordnet sind, und eine der Mikrooptik nachgeordnete Abbildungsoptik umfaßt, wobei das Beleuchtungsstrahlenbundel auf die Mikrooptik trifft und dadurch von jedem Optikelement ein Strahl ausgeht, der mittels der Abbildungsoptik zur Beleuchtung eines Objektfeldes eingesetzt werden kann
Eine solche Beleuchtungsanordnung wird häufig als Mikroskopbeleuchtung verwendet, wobei der Koharenzminderer dazu dient, die Kohärenz des Strahlenbundels so weit zu verringern, daß unerwünschte Interferenzerscheinungen und Speckle im Objektfeld möglichst nicht auftreten
Eine Beleuchtungsanordnung der eingangs genannten Art ist beispielsweise in WO 01/35451 A1 beschrieben, wobei der Koharenzminderer hier drei diskrete und übereinander mit einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnete Spiegelplatten umfaßt Die Spiegelplatten sind zueinander parallel und um 45° gegenüber dem einfallenden Strahlenbundel geneigt, so daß etwa ein Drittel des Strahlenbundels auf die erste Spiegelplatte trifft, wahrend zwei Drittel des Strahlenbundels hinter der ersten Spiegelplatte vorbeilaufen Von diesem vorbeilaufenden Strahlenbundel trifft etwa eine Hälfte auf die zweite Spiegelplatte, wahrend die andere Hälfte hinter der zweiten Spiegelplatte vorbeiläuft und auf die dritte Spiegelplatte trifft Die Teilstrah- lenbundel werden an den Spiegelplatten jeweils um 90° so umgelenkt, daß das Beleuchtungsstrahlenbundel abgegeben wird, das drei Teilstrahlenbundel mit zueinander verschobenen Phasen aufgrund der unterschiedlicher Weglangen bei der Reflexion aufweist Der in WO 01/35451 A1 beschriebene Koharenzminderer ist aufgrund der diskreten Spiegelplatten sehr aufwendig und die dem Strahlenbundel einpragbaren unterschiedlichen Phasenverschiebungen sind durch die begrenzte Anzahl von praktisch vorsehbaren Spiegelplatten beschränkt Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, die Beleuchtungsanordnung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sie einen einfachen Aufbau aufweist und dem Strahlen- bündel eine Vielzahl von diskreten Phasenverschiebungen aufprägen kann.
Die Aufgabe wird bei einer Beleuchtungsanordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Spiegel ein erstes Spiegelelement aufweist, dessen Oberfläche in mehrere Spiegelteilflachen aufgeteilt ist, die zueinander parallel angeordnet und in Richtung ihrer Flächen- normalen zueinander versetzt sind, wobei das zugeführte Strahlenbündel an den Spiegelteilflachen derart reflektiert wird, daß von den Spiegelteilflachen Teilstrahlen ausgehen, die zur Bildung des Beleuchtungsstrahlenbündels mit den unterschiedlichen Phasenverschiebungen dienen.
Durch die Strukturierung der Oberfläche des ersten Spiegelelements können eine Vielzahl von diskreten bzw. diskontinuierlichen Phasenverschiebungen eingestellt werden, die dem kohärenten Strahlenbündel bei der Reflexion am ersten Spiegelelement aufgeprägt werden, wobei die Spiegelteilflachen bevorzugt eben sind. Dann sind auch die diskreten Phasenverschiebungen stufenartig versetzt. Die Größe der Phasenverschiebungen und die Größe der Abschnitte im Strahlquerschnitt, denen die entsprechenden Phasenverschiebungen aufgeprägt werden, ist nahezu beliebig wählbar und nur durch die Art der Strukturierung begrenzt.
Weiterhin werden bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung keine mechanisch zu bewegenden Teile benötigt, um die gewünschte Kohärenzminderung zu erreichen, so daß pro- blemlos gepulste Strahlenbündel zur Beleuchtung des Objektfeldes eingesetzt werden können. Dadurch ist es dann beispielsweise möglich, durch das Objektfeld bewegte Objekte (z.B. Masken aus der Halbleiterfertigung) zu untersuchen, so daß eine sehr hohe Untersuchungsgeschwindigkeit bei äußerst homogener Ausleuchtung erreicht wird. Auch ist in vorteilhafter Weise das unerwünschte Speckle-Rauschen vermindert.
Unter einem kohärenten Strahlenbündel wird hier ein Strahlenbündel verstanden, das eine endliche zeitliche Kohärenzlänge aufweist und das räumlich bzw. lateral (also im Strahlenquerschnitt) teilweise oder vollkommen kohärent ist.
Die Optikelemente der Mikrooptik sind bevorzugt matrix- bzw. rasterartig in einer Ebene angeordnet. Daher kann die Mikrooptik leicht quer zur Ausbreitungsrichtung des Beleuchtungsstrahlenbündels angeordnet werden, so daß jedes Optikelement gleichzeitig von einer ebenen Wellenfront getroffen wird. Ferner kann der Kohärenzminderer bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung so ausgebildet sein, daß dem Strahlenbündel für jedes Optikelement der Mikrooptik eine vorbestimmte Phasenverschiebung aufgeprägt wird. Dadurch kann man für jedes Optikelement die Phase einer auf alle Optikelemente treffende Wellenfront der Strahlung so einstellen, daß die störenden Interferenzeffekte im Objektfeld möglichst vollständig unterdrückt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung sind die Optikelemente der Mikrooptik in Zeilen und Spalten angeordnet und ist die Oberfläche des ersten Spiegelelements derart strukturiert, daß dem zugeführten Strahlenbündel für die Optikele- mente jeder Zeile oder jeder Spalte eine andere Phasenverschiebung aufgeprägt wird. Dadurch weist das auf die Optikelemente treffende Beleuchtungsstrahlenbundel für Optikelemente in benachbarten Zeilen bzw. Spalten eine sprungförmige unterschiedliche Phase auf, so daß Interferenzeffekte des von den in benachbarten Zeilen angeordneten Optikelementen ausgehenden Teilstrahlenbündel vermindert sind.
Eine individuelle (sprungförmige bzw. diskontinuierliche) Phasenverschiebung für jedes Optikelement kann man beispielsweise dadurch verwirklichen, daß jedem Optikelement genau eine Spiegelteilfläche des ersten Spiegelelements zugeordnet ist. Damit kann die gewünschte Phasenverschiebung mit nur einem Optikteil (dem Spiegelelement mit der strukturierten Oberfläche) erreicht werden, so daß die Beleuchtungsanordnung kompakt ausgebildet werden kann.
Auch kann jede Spiegelteilfläche genau einem Optikelement zugeordnet sein, wobei mehrere Spiegelteilflachen demselben Optikelement zugeordnet sind. Die mehreren Spiegelteilflachen sind dabei so gewählt, daß selbst bei einer gewissen Dejustierung von z.B. dem ersten Spie- gelelement nur Strahlung mit der gewünschten Phasenverschiebung auf die einzelnen Optikelemente trifft und die Strahlung von den dejustierten Spiegelteilflachen bevorzugt auf die Totzonen (die darauf treffenden Strahlung gelangt nicht zur Kondensoroptik) zwischen den Optikelementen trifft. Dadurch wird selbst bei einer Dejustierung sichergestellt, daß kohärente Strahlung möglichst nicht auf benachbarte Optikelemente trifft, so daß die Justierung vereinfacht ist.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung umfaßt das erste Spiegelelement eine Vielzahl von aufeinandergestapelten planparallelen Platten (die jeweils gleiche oder auch unterschiedliche Dicken aufweisen können), wobei bei jeweils zwei aufeinanderliegenden Platten die Stirnseite der oberen Platte gegenüber der Stirnseite der un- teren Platte zurückgesetzt ist. Dadurch sind eine Vielzahl von Stufen gebildet, deren zur Reflexion benutzten Flächen, falls nötig, verspiegelt sind. Die zur Reflexion benutzten Flächen können entweder die Stirnseiten der Platten (dann ist die Breite der Spiegelteilflachen durch die Dicke der Platten und die Stufenhöhe durch den Versatz bestimmt) oder eine der planparallelen Seiten der Platten sein (dann ist die Breite der Spiegelteilflachen durch den Versatz und die Stufenhöhe durch die Plattendicke bestimmt). In dieser Art und Weise kann sehr einfach das erste Spiegelelement realisiert sein.
Alternativ ist es auch möglich, daß das erste Spiegelelement durch Mikrostrukturierungstechni- ken (wie sie z.B. in der Halbleiterfertigung verwendet werden) gebildet und danach, falls nötig, noch verspiegelt ist. Bei dieser Art der Strukturierung kann besonders einfach eine matrixartige Anordnung der Spiegelteilflachen mit gewünschtem Versatz (insbesondere die Ausbildung von je einer Spiegelfläche für jedes Optikelement der Mikrooptik) gebildet werden.
Insbesondere entspricht bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung der Versatz von benachbarten Spiegelteilflachen zumindest der halben zeitlichen Kohärenzlänge des Strahlenbündels. Dies läßt sich besonders gut bei sogenannter partiell kohärenter Strahlung realisieren, wie sie insbesondere von Multimode-Lasern (z.B. Excimer-Laser) abgegeben wird, da das partiell kohärente Strahlenbündel eine relativ geringe zeitliche Kohärenzlänge (Kohärenzlänge in Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels) aufweist. So gibt beispielsweise ein Argon-Fluorid- Excimer-Laser ein Strahlenbündel mit einer Wellenlänge von etwa 193nm und einer zeitlichen Kohärenzlänge von ca. 100μm ab.
Unter der zeitlichen Kohärenzlänge wird ein Minimum (bevorzugt das erste Minimum) der zeitli- chen Kohärenzfunktion verstanden. Somit ist der Interferenzkontrast bei Überlagerung von zwei Strahlbündeln, die eine Phasenverschiebung um die zeitliche Kohärenzlänge aufweisen, minimal. Durch die angegebene Wahl des Versatzes der Spiegelteilflachen wird sichergestellt, daß der Gangunterschied für zwei von benachbarten Spiegelteilflachen reflektierte Teilstrahlenbündel zumindest der zeitlichen Kohärenzlänge entspricht. Somit sind die beiden Teilstrahlenbün- del, die in der Regel auf benachbarte Optikelemente der Mikrooptik treffen, zueinander inkohärent, da unter Ausnutzung der zeitlichen Kohärenzlänge die räumliche Kohärenz vermindert bzw., wenn möglich, aufgehoben wird.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung besteht darin, daß das erste Spiegelelement, in Draufsicht gesehen, eine durchgehende Spiegelfläche aufweist. Dadurch wird sichergestellt, daß so gut wie keine Abschattungseffekte bei der Reflexion am ersten Spiegelelement auftreten.
Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung zwischen dem ersten Spie- gelelement und der Mikrooptik eine erste Zwischenoptik (bevorzugt eine 1 :1 Abbildungsoptik) angeordnet sein, die das erste Spiegelelement auf die Mikrooptik abbildet. Dadurch wird vorteilhaft eine Mischung von den von einzelnen Spiegelteilflachen ausgehenden Teilstrahlenbündeln aufgrund der vorhandenen Divergenz des auf das Spiegelelement einfallenden Strahlenbündels verhindert, so daß sichergestellt ist, daß die einzelnen Optikelemente mit Teilstrahlenbündeln beaufschlagt werden, die die gewünschte Phasenverschiebung aufweisen.
Insbesondere kann bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung der Spiegel des Kohä- renzminderers ein zweites, dem ersten Spiegelelement vorgeordnetes Spiegelelement aufweisen, dessen Oberfläche derart strukturiert ist, daß sie mehrere Spiegelteilflachen aufweist, die zueinander parallel angeordnet und in Richtung ihrer Flächennormalen versetzt sind, wobei von den Spiegelteilflachen des zweiten Spiegelelements ausgehende Teilstrahlenbündel unterschiedliche Phasenverschiebungen für verschiedene der Optikelemente aufweist. Durch dieses zweite Spiegelelement kann eine verbesserte Verminderung der Kohärenz in einfacher Art und Weise erreicht werden.
Bevorzugt sind die Stufenhöhen bei den beiden Spiegelelementen unterschiedlich. Wenn die Stufenhöhen in Vielfachen der Wellenlänge des zugeführten Strahlenbündels angegeben sind, ist es beispielsweise vorteilhaft, daß das kleinste gemeinsame Vielfache dieser Stufenhöhen möglichst groß ist. Bevorzugt unterscheiden sich die Stufenhöhen der beiden Spiegelelemente um mindestens eine Größenordnung.
Des weiteren kann zwischen dem ersten und zweiten Spiegelelement eine zweite Abbildungs- optik (bevorzugt eine 1:1 Abbildungsoptik) vorgesehen sein, die das zweite Spiegelelement auf das erste Spiegelelement abbildet. Dadurch wird wiederum eine Durchmischung der einzelnen Teilstrahlenbündel, die von den einzelnen Spiegelteilflachen ausgehen, effektiv verhindert.
Das zweite Spiegelelement kann, in Draufsicht gesehen, eine durchgehende Spiegelfläche aufweisen. Dadurch wird nahezu das gesamte einfallende Strahlenbündel am zweiten Spiegelelement reflektiert, so daß die durch das zweite Spiegelelement bedingten Verluste äußerst gering sind.
Die beiden Spiegelelemente können jeweils als Stufenspiegel ausgebildet sein, die zueinander verdreht, bevorzugt um 90°, angeordnet sind. Dadurch wird effektiv die Kohärenz in zwei Richtungen im Strahlquerschnitt, vermindert, so daß das auf die Mikrooptik einfallende Beleuchtungsstrahlenbundel eine äußert geringe Kohärenz aufweist.
Insbesondere kann die Mikrooptik lauter gleiche Optikelemente aufweisen und beispielsweise als Mikrolinsen- oder Lochmaskenarray ausgebildet sein. Mit einer solchen Mikrooptik, die auch Multiaperturoptik genannt wird, ist insbesondere bei der Verwendung der Beleuchtungsoptik in einem Mikroskop gewährleistet, daß in der Pupillenebene eine quasi kontinuierliche Ausleuchtung vorliegt. Es ist bevorzugt, daß das zugeführte Strahlenbündel unter einem Einfallswinkel, der im Bereich von 0 bis 20° liegt, das Spiegelelement trifft. Bei einem Einfallswinkel von 0° ist dem Spiegelelement ein Strahlteiler (wie z.B. ein teiltransparente oder auch semitransparente Platte, die um 45° gegenüber der Ausbreitungsrichtung des Strahlenbündels geneigt ist) vorgeordnet. Damit werden vorteilhaft der Strahlquerschnitt bei der Reflexion am Spiegelelement nicht verändert und der Abschattungseffekt so gut wie vollständig unterdrückt.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung kann überall dort eingesetzt werden, wo ein Feld möglichst homogen ausgeleuchtet werden soll. Dies kann beispielsweise in der Mikrosko- pie, bei Steppern in der Halbleiterfertigung oder auch bei der Materialbearbeitung der Fall sein.
Als Strahlungsquelle, die die kohärente oder partiell kohärente Strahlung abgibt, können Laser, wie z.B. Eximer-Laser (beispielsweise Krypton-Fluorid, Argon-Fluorid- oder Fluorid-Eximer- Laser) verwendet werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung weist der Kohärenzminderer ein Beugungsgitter auf, das mit dem zugeführten Strahlenbündel beaufschlagt wird und ein gebeugtes Strahlenbündel einer vorbestimmten, nicht nullten Ordnung (bevorzugter +1-te oder -1-te Ordnung) abgibt, das zur Bildung des Beuleuchtungs- strahlenbundels verwendet wird. Das gebeugte Strahlenbündel weist aufgrund der Beugung einen kontinuierlichen zeitlichen Versatz benachbarter Teile des Strahlquerschnitts in der Ebene auf, die von dem einfallenden und dem gebeugten Strahlenbündel aufgespannt wird. Damit wird die Interferenzfähigkeit des Beleuchtungsstrahlenbündels in vorteilhafter Weise weiter vermindert.
Insbesondere kann das Beugungsgitter dem ersten Spiegelelement vor- oder nachgeordnet und als reflektives oder transmissives Beugungsgitter ausgebildet sein. Solche Beugungsgitter sind kommerziell erhältlich, so daß die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung leicht realisiert werden kann.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist zumindest eine der Spiegelteilflachen des ersten Spiegelelementes derart strukturiert, daß sie das Beugungsgitter bildet. Natürlich können auch alle Spiegelteilflachen als Beugungsgitter strukturiert sein. Dies führt zu dem Vorteil, daß neben der Einprägung der sprungförmigen Phasenverschiebung aufgrund der Reflexion der an den Spie- gelteilflächen auch noch eine kontinuierliche Phasenverschiebung aufgrund der Beugung erzeugt wird, so daß mit einem sehr kompakten Element eine ausgezeichnete Minderung der Interferenzfähigkeit des Beleuchtungsstrahlenbündels erzielt wird. Insbesondere kann man das bzw. die Beugungsgitter so ausbilden, daß die stromförmigen Phasenverschiebungen die konti- nuierliche Phasenverschiebung in unterschiedlichen Richtungen im Strahlquerschnitt des Beu- leuchtungsstrahlbündels erzeugt werden.
Insbesondere kann das Beugungsgitter als geblaztes Gitter (mit Sägezahnprofil) ausgebildet werden. Dies bringt den Vorteil mit sich, daß ein Großteil des gebeugten Lichtes in eine gewünschte Beugungsordnung konzentriert werden kann, so daß der Lichtverlust am Beugungsgitter minimiert wird.
Das Beugungsgitter kann in Autokollimation (Einfallswinkel des einfallenden Strahlenbündels und Ausfallswinkel des ausfallenden gebeugten Strahlenbündels der gewünschten Beugungsordnung sind gleich) genutzt werden. Dadurch bleibt der Strahlquerschnitt bei der Beugung unverändert.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung besteht darin, daß der Kohärenzminderer eine Strahlvervielfachungseinrichtung aufweist, die das zugeführte kohärente Strahlenbündel in mehrere Teilstrahlen aufteilt und diese danach zu einem Strahlenbündel zusammenführt, in dem die Teilstrahlen divergieren. Wenn das Strahlenbündel mit den sich divergierenden ausbreitenden Teilstrahlen auf die Mikrooptik trifft, treffen auf jedes Optikelement die Teilstrahlen des Strahlenbündels mit unterschiedlichen Winkeln, so daß von jedem Optikelement mehrere Beleuchtungsteilstrahlen mit unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen ausgehen, die zur Beleuchtung des Objektfelds eingesetzt werden können.
Somit geht von jedem Optikelement im Unterschied zu bisher bekannten Lösungen nicht nur ein Beleuchtungsteilstrahl, sondern mehrere Beleuchtungsteilstrahlen mit unterschiedlichen Aus- breitungsrichtungen aus, wodurch eine gleichmäßigere Objektfeldbeleuchtung erzielt werden kann. Da von einem Optikelement mehrere Beleuchtungsteilstrahlen ausgehen, kann die Mikrooptik auch weniger Optikelemente mit größerem Abstand untereinander aufweisen im Vergleich zu herkömmlichen Beleuchtungsvorrichtungen, so daß, wenn der Abstand entsprechend der lateralen Kohärenzlänge des kohärenten Strahls eingestellt ist, keine oder fast keine Interfe- renzeffekte im Objektfeld mehr auftreten.
Insbesondere kann die Strahlvervielfachungseinrichtung so ausgebildet sein, daß die Teilstrahlen nach der Aufteilung in der Strahlvervielfachungseinrichtung Wege mit unterschiedlichen optischen Längen durchlaufen und erst danach zum Strahlenbündel, in dem sie divergieren, zusammengeführt werden. Dadurch lassen sich unerwünschte Interferenzeffekte bei der Zusammenführung der Teilstrahlen verringern (bzw. vollständig unterdrücken). ln einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemaßen Beleuchtungsanordnung enthält die Strahlvervielfachungseinπchtung ein erstes Modul, das einen ersten Strahlteiler sowie einen ersten und einen zweiten Modularm mit jeweils einem (bevorzugt ebenen) Endspiegel aufweist, wobei das auf den ersten Strahlteiler treffende Strahlenbundel in einen ersten Teilstrahl, der in den ersten Modulstrahl eingekoppelt wird, und in einen zweiten Teilstrahl aufgeteilt wird, der in den zweiten Modularm eingekoppelt wird, wobei zumindest Teile der von den Endspiegeln zum Strahlteiler zuruckreflektierten Teilstrahlen mittels dem ersten Strahlteiler zu einem Strahlenbundel mit divergierenden Teilstrahlen zusammengeführt werden, wobei zumindest einer der beiden Endspiegel eine ebene Spiegelflache aufweist, die so angeordnet ist, daß der Einfalls- wmkel des entsprechenden Teilstrahls ungleich 0° ist Bevorzugt schließen beide Modularme einen Winkel von 90° ein
Das erste Modul ist somit im wesentlichen ein hinsichtlich der optischen Langen in beiden Modularmen verstimmtes Michelson-Interferometer, so daß bei der Zusammenfuhrung der zuruck- reflektierten Teilstrahlen Interferenzen zwischen den zusammengeführten Teilstrahlen vermindert und gegebenenfalls auch vollständig unterdruckt werden können Ferner ist zumindest einer der Endspiegel etwas verkippt, so daß der einfallende und zuruckreflektierte Teilstrahl im entsprechenden Modularm nicht den identischen Weg durchlaufen, sondern miteinander einen Winkel von ungleich 0° einschließen Damit wird in einfachster Art und Weise ermöglicht, daß das mittels dem ersten Strahlteiler vereinigte Strahlenbündel zwei divergierende Strahlen enthalt
Insbesondere können sich beim ersten Modul die optischen Längen der beiden Modularme um zumindest die halbe zeitliche Koharenzlänge des zugefuhrten Strahls unterscheiden Damit wird sichergestellt, daß bei der Zusammenfuhrung der zuruckreflektierten Teilstrahlen unerwünschte Interferenzeffekte (die beispielsweise im Objektfeld sichtbar waren) vollständig verhindert werden
Unter der zeitlichen Kohärenzlange wird hier die Kohärenzlänge in Ausbreitungsrichtung des Strahls verstanden (bzw ein Minimum, bevorzugt das erste Minimum der zeitlichen Kohärenzfunktion) Da beide Modularme durch die entsprechenden Teilstrahlen jeweils zweimal durchlaufen werden, sind bei einem Unterschied der optischen Längen von mindestens der halben zeitlichen Kohärenzlänge die Teilstrahlen bei der Überlagerung nicht mehr miteinander interfe- renzfahig
Weil das erste Modul wie ein verstimmtes Michelson-Interferometer aufgebaut ist, kann der Unterschied der optischen Langen leicht auf zumindest die halbe zeitliche Koharenzlänge eingestellt werden Dies ist insbesondere auch bei sogenannter partiell kohärenter Strahlung mög- lich, wie sie insbesondere von Multimode-Lasern (z.B. Excimer-Lasern) abgegeben wird, da das partiell kohärente Strahlenbündel eine relativ geringe zeitliche Kohärenzlänge aufweist. So gibt beispielsweise ein Argon-Fluorid-Excimer-Laser einen Strahl mit einer Länge von 193 nm und einer zeitlichen Kohärenzlänge von ca. 100 μm ab. Aber auch größere zeitliche Kohärenzlän- gen können leicht durch Veränderung bzw. Einstellung der Modularmlängen so kompensiert werden, daß die durch den Strahlteiler überlagerten Teile nicht mehr interferenzfähig sind.
In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung umfaßt die Strahlvervielfachungseinrichtung zumindest ein zweites Modul mit einem zweiten Strahlteiler sowie einem dritten und vierten Modularm mit jeweils einem Endspiegel, wobei die vom ersten Strahlteiler zusammengeführten Teilstrahlen auf den zweiten Strahlteiler treffen und von diesem in ein drittes Teilstrahlenbündel, das in den dritten Modularm eingekoppelt wird, und ein viertes Teilstrahlenbündel aufgeteilt werden, das in den vierten Modularm eingekoppelt wird, wobei zumindest Teile der von den Endspiegeln des dritten und vierten Modularms zum zweiten Strahlteiler zurückreflektierten dritten und vierten Teilstrahlenbündel mittels dem zweiten Strahlteiler zum Strahlenbündel mit den Teilstrahlen mit divergierenden Ausbreitungsrichtungen vereinigt werden, wobei zumindest einer der beiden Endspiegel des dritten und vierten Modularms eine ebene Spiegelfläche aufweist, die so angeordnet ist, daß der Einfallswinkel jedes der Teilstrahlen des Teilstrahlenbündels des entsprechenden Modularms ungleich 0° ist.
Durch das zweite Modul wird eine Verdoppelung der Anzahl der divergierenden Teilstrahlen in dem Strahlenbündel, das auf die Mikrooptik trifft, erreicht, wodurch die gleichmäßige Beleuchtung des Objektfelds verbessert werden kann.
Insbesondere können sich die optischen Weglängen des dritten und vierten Modularms um mindestens die halbe zeitliche Kohärenzlänge des zugeführten Strahls unterscheiden, so daß auch zwischen den von den Endspiegeln des dritten und vierten Modularms zurückreflektierten und mittels dem zweiten Strahlteiler zusammengeführten Teilstrahlenbündeln keine unerwünschten Interferenzen auftreten.
Natürlich muß das von dem zweiten Modul kommende divergierende Strahlenbündel nicht direkt auf die Mikrooptik gerichtet werden. Sondern es können z.B. noch weitere zweite Module einzeln nacheinander geschaltet werden, so daß mit jedem weiteren zweiten Modul eine Verdopplung der Anzahl der Teilstrahlen im Strahlenbündel erfolgt, das schließlich auf die Mikroop- tik trifft. Diese weiteren zweiten Module sind bevorzugt so wie das bereits beschriebene zweite Modul ausgebildet.
Die Module können so ausgebildet sein, daß die Modularme des ersten und zweiten Moduls in einer Ebene oder in zwei verschiedenen Ebenen liegen. Dadurch kann leicht eine kompakte, an die restlichen Elemente der Beleuchtungsvorrichtung angepaßte Anordnung des Moduls bzw. deren Arme erfolgen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung besteht darin, daß das erste Modul zwei Prismen umfaßt, wobei ein erstes der beiden Prismen mit seiner ersten Seite an einer ersten Seite des zweiten Prismas anliegt und zwischen den beiden Seiten eine den ersten Strahlteiler bildende Strahlteilerschicht angeordnet ist, und wobei der erste Modularm im ersten Prisma und der zweite Modularm im zweiten Prisma liegt. Damit wird eine einfache technische Realisierung des ersten Moduls bereitgestellt. Es müssen nur aus der Op- tik bekannte und leicht handhabbare Grundelemente (wie Prismen und Strahlteilerschichten) geeignet kombiniert werden. Insbesondere werden die Endspiegel der beiden Modularme durch Verspiegelung der entsprechenden Prismenseiten verwirklicht. Auch eine geeignete Ausrichtung der Prismenseiten so, daß eine innere Totalreflexion stattfindet, kann eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist ein drittes Prisma vorgesehen, das mit seiner ersten Seite an der ersten Seite des ersten Prismas anliegt, wobei die erste Strahlteilerschicht dazwischen vorgesehen ist, und wobei das dritte Prisma mit seiner zweiten Seite an einer zweiten Seite des zweiten Prismas anliegt, wobei dazwischen eine zweite Strahlteilerschicht angeordnet ist. Mit einer solchen Ausbildung können drei hintereinandergeschaltete, verstimmte Michelson- Interferometer in kompakter Art und Weise realisiert werden, so daß, bei entsprechender Ausrichtung der reflektierenden Prismenseiten, aus einem einfallenden Strahl ein Strahlenbündel mit acht divergierenden Teilstrahlen erzeugt werden kann.
Ferner kann bei der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung der Abstand von benachbar- ten Optikelementen der Mikrooptik mindestens so groß sein wie die laterale Kohärenzlänge (Kohärenzlänge im Strahlenquerschnitt) des zugeführten Strahls. Damit wird eine Interferenz von von benachbarten Optikelementen ausgehenden Beleuchtungsteilstrahlen so gut wie vollständig verhindert.
Die Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung; Fig. 2 ein Mikrolinsenarray in Draufsicht;
Fig. 3 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung;
Fig. 4 ein Lochmaskenarray in Draufsicht; Fig. 5 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Beleuchtungsanordnung mit dem Lochmaskenarray;
Fig. 6 eine weitere Ausführungsform des Kohärenzminderers;
Fig. 7 eine schematische Perspektivdarstellung einer Weiterbildung des Stufenspiegels von Fig. 1 , 3 und 5;
Fig. 8 eine vergrößerte Schnittdarstellung durch eine der Spiegelteilflachen des Stufenspiegels;
Fig. 9 eine Draufsicht auf den Stufenspiegel von Fig. 7;
Fig. 10 eine Darstellung des Mikrolinsenarrays, der Kondensoroptik und des Objektfelds der Beleuchtungsanordnung von Fig. 1 ;
Fig. 11 eine Darstellung des Mikrolinsenarrays, der Kondensoroptik und des Objektfelds der Beleuchtungsanordnung von Fig. 1 mit einer vorgeordneten Strahlvervielfachungseinrichtung;
Fig. 12 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Strahlvervielfachungseinrichtung, und
Fig. 13 eine weitere Ausführungsform der Strahlvervielfachungseinrichtung.
Wie aus Fig.1 ersichtlich ist, umfaßt die erfindungsgemäße Beleuchtungsanordnung einen Ko- härenzminderer 1 , der einen Stufenspiegel 2 und eine dem Stufenspiegel 2 nachgeordnete 4f- Abbildungsoptik 3 aufweist, sowie eine Beleuchtungsoptik mit einem Mikrolinsenarray 4 und einer Kondensoroptik 5.
Der Stufenspiegel 2 ist aus einer Vielzahl von aufeinandergestapelten planparallelen Platten 6 (verspiegelte Quarzplatten) gebildet, wobei jeweils die Stirnseite 7 der oberen Platte 6 gegenüber der Stirnseite direkt darunter liegenden Platte 6 derart zurückgesetzt ist, daß eine Stufe gebildet ist. Die freiliegende Oberfläche der unteren Platte 6 bildet dann eine Spiegelteilfläche 8 des Stufenspiegels 2. Der Stufenspiegel 2 weist so viele Stufen (bzw. so viele Spiegelteilflachen 8) auf, wie das Mikrolinsenarray 4 Mikrolinsen 9 in der Zeichenebene von Fig.1 umfaßt. Bei der hier beschriebenen Ausführungsform sind beispielhaft fünf Stufen und fünf Mikrolinsen 9 dargestellt.
Die Mikrolinsen 9 des Mikrolinsenarrays 4 liegen in einer Ebene und sind in Zeilen und Spalten (Fig. 2) angeordnete, wobei zur besseren Übersichtlichkeit das Mikrolinsenarray mit 5 Zeilen und 10 Spalten dargestellt ist und einige der Mikrolinsen 9 beispielhaft in der Draufsicht von Fig. 2 eingezeichnet sind. Tatsächlich ist das Mikrolinsenarray beim beschriebenen Ausführungsbeispiel 4 ca. 3x6 mm groß und der Durchmesser der Mikrolinse 9 beträgt ca. 150 μm. Der Stufenspiegel 2 weist so viele Spiegelteilflachen 8 auf, wie das Mikrolinsenarray 4 Zeilen umfaßt. Somit ist jede Stufe des Stufenspiegels 2 den Mikrolinsen 9 einer Zeile des Mikrolinsenarrays 4 zugeordnet.
Wie aus Fig.1 ersichtlich ist, trifft ein kohärentes (oder auch partiell kohärentes) Strahlenbündel 10 auf den Stufenspiegel 2 und wird von diesem zum Mikrolinsenarray 4 hin reflektiert. Aufgrund der Stufen des Stufenspiegels 2 kommt es zu unstetigen bzw. diskontinuierlichen Phasenverschiebungen im reflektierten Strahlenbündel 11. In Fig.1 ist eine Wellenfront W gleicher Phase des einfallenden Strahlenbündels 10 eingezeichnet, die beim reflektierten Strahlenbündel 11 aufgrund der durch den Stufenspiegel 2 erzeugten Gangunterschiede für jedes von den Stufen des Stufenspiegels 2 ausgehendes Teilstrahlenbündel S1 bis S5 (die das reflektierte Strahlenbündel 11 bilden) relativ zu den anderen Teilstrahlenbündel S1 bis S5 in Ausbreitungsrichtung versetzt ist. Dies ist durch die eingezeichnete Lage der Wellenfronten W1 bis W5 gleicher Phase in den Teilstrahlenbündeln S1 bis S5 dargestellt.
Der Versatz der Wellenfronten ist dabei mittels der Stufenhöhe H (die durch die Dicke der Platte 6 gegeben ist) beim Stufenspiegel 2 so gewählt, daß er der zeitlichen Kohärenzlänge des Strahlenbündels 10 entspricht. Bei der Strahlung eines Argon-Fluorid-Excimer-Lasers entspricht die zeitliche Kohärenzlänge etwa 100 μm, so daß ein Stufenversatz von etwa 50 μm gewählt ist. Bei der Reflexion ergibt sich damit für benachbarte Teilstrahlenbündel ein Gangunterschied von etwa 100 μm, wobei der Gangunterschied aufgrund des schrägen Einfalls des Strahlenbündels 10 etwas größer ist. Der Einfallswinkel des Strahlenbündels 10 auf die den Spiegelteilflachen 8 (bezogen auf die Flächennormalen N) beträgt hier ca. 20°. Die Stufen des Stufenspiegels 2 sind in den Figuren stark vergrößert dargestellt, um den stufenförmigen Phasenversatz im reflektierten Strahlenbündel 11 darstellen zu können.
Durch die Reflexion am Stufenspiegel 2 enthält das reflektierte Strahlbündel 11 somit mehrere Zellen im Strahlenquerschnitt (hier fünf, für jedes Teilstrahlenbündel S1-S5 eine Zelle), die zueinander inkohärent sind. Die Teilstrahlenbündel S1-S5 sind daher nicht mehr interferenzfähig, auch wenn eine relativ große laterale bzw. räumliche Kohärenzlänge im Strahlenbündel 8 vor- handen ist. Beim Argon-Fluorid-Excimer-Laser kann die laterale Kohärenzlänge (Kohärenzlänge im Strahlenquerschnitt) über 500 μm betragen. Aufgrund der beschriebenen Erzeugung von in Ausbreitungsrichtung versetzten Zellen im Strahlenbündel 11 wird somit unter Ausnutzung der zeitlichen Kohärenz, die laterale bzw. räumliche Kohärenz vermindert bzw., wenn möglich, so gut wie vollständig aufgehoben.
Die Teilstrahlenbündel S1 - S5 werden dann mittels der 4f-Abbildungsoptik 3 auf das Mikrolinsenarray 4 abgebildet. Dazu umfaßt die 4f-Abbildungsoptik eine erste und eine zweite Linse 12, 13, die jeweils eine Objekt- und bildseitige Brennweite f aufweisen. Der Abstand der ersten Lin- se 12 zum Stufenspiegel 2 und der Abstand der zweiten Linse 13 zum Mikrolinsenarray 4 beträgt jeweils f und die beiden Linsen 12, 13 sind um 2f voneinander beabstandet
Durch die 4f-Abbιldungsoptιk 3 (in Fig 1 ist zur besseren Übersichtlichkeit nur der Strahlverlauf des Teilstrahlenbundels S1 in der 4f-Abbιldungsoptιk 3 eingezeichnet) werden die Mikrolinsen 9 mit dem Beleuchtungsstrahlenbundel 11 derart beaufschlagt, daß mit jeweils einem Teilstrah- lenbundel S1 bis S5 eine Zeile von Mikrolinsen 9 beleuchtet wird
Dadurch weist eine zu einem Zeitpunkt auf das Mikrolinsenarray 4 treffende Wellenfront eine verminderte Kohärenz auf, da diese Wellenfront aus unterschiedlichen Zellen (die nicht interferenzfähig sind) zusammengesetzt ist Die von dem Mikrolinsenarray 4 ausgehenden Strahlenbundel M1-M5 werden dann mittels der Kondensoroptik 5 auf ein Objektfeld 14 (das bevorzugt im Abstand der Brennweite der Kondensoroptik 5 von dieser beabstandet ist) so abgebildet, daß dieses homogen ausgeleuchtet ist Durch die Phasenverschiebungen in den Teilstrahlen- bundel S1 bis S5 kann erreicht werden, daß die Strahlenbündel M1 bis M5 untereinander nicht interferieren, so daß keine störenden Speckle und störende Interferenzen auftreten Es ist naturlich auch möglich, die 4f-Abbιldungsoptιk 3 wegzulassen und das Mikrolinsenarray 4 direkt mit den Teilstrahlenbündel S1-S5 zu beaufschlagen
In einer Pupillenebene P (die zwischen dem Mikrolinsenarray und der Kondensoroptik 5 liegt) kann noch, wie aus der Mikroskopie bekannt ist, eine verstellbare Blende (nicht gezeigt) vorgesehen sein, mit der die Helligkeit der Ausleuchtung im Objektfeld 14 und das Winkelspektrum der auf das Objektfeld 14 treffenden Strahlen einstellbar ist Die Pupillenebene P ist hier bevorzugt die Brennebene der Mikrolinsen 9, so daß der Abstand der Hauptebene der Mikrohnse 9 zur Pupillenebene der Brennweite der Mikrohnse entspricht
Die beschriebene Beleuchtungsoptik (Mikrolinsenarray 4 + Kondensoroptik 5) ist in der beschriebenen Ausfuhrungsform ein sogenannter beugender Mikro nsenhomogenisierer Natürlich kann die Beleuchtungsoptik auch als abbildender Mikrohnsenhomogenisierer ausgebildet sein Dazu ist zwischen dem Mikrolinsenarray 4 und der Kondensoroptik ein weiteres Mikrolinsenarray angeordnet, das bevorzugt die gleiche Anzahl von Mikrolinsen wie das Mikrolinsenarray 4 aufweist, wobei insbesondere eine 1 zu 1 Zuordnung zwischen den Mikrolinsen der beiden Mikrolinsenarrays vorliegen kann Natürlich kann das weitere Mikrolinsenarray gleich wie das Mikrolinsenarray ausgebildet sein Auch bei den folgenden Ausführungsbeispielen kann die Beleuchtungsoptik als beugender oder abbildender Mikrolinsenhomgenisierer bzw Multiapertur- optikhomogenisierer ausgebildet sein
Durch den schrägen Einfall des Strahlenbundels 10 auf den Stufenspiegel 2 wird auch noch eine Vergrößerung des Strahlenquerschnitts in der Zeichenebene erreicht Dies kann man bei- spielsweise dazu verwenden, um den in etwa rechteckigen Querschnitt der Strahlung des Ar- gon-Fluorid-Excimer-Lasers in eine etwa quadratische Form zu überführen. Dadurch kann man mit dem Stufenspiegel 2 auch noch eine Anpassung des Strahlenquerschnitts an die Form des Mikrolinsenarrays 4 durchführen, falls dies gewünscht ist. Bei Umkehrung der Einfallsrichtung (Strahlenbündel 11 fällt auf den Stufenspiegel und wird als Strahlenbündel 10 reflektiert) wird eine entsprechende Verkleinerung des Strahlenquerschnitts in der Zeichenebene erreicht. Somit kann das Spiegelelement (hier der Stufenspiegel 2) zur Querschnittsänderung eingesetzt werden.
In Fig.3 ist eine Weiterbildung der in Fig.1 gezeigten Ausführungsform dargestellt, wobei im Unterschied zu der in Fig.1 gezeigten Ausführungsform zusätzlich noch ein zweiter Stufenspiegel 15 vorgesehen ist. Der zweite Stufenspiegel 15 ist in gleicher Weise wie der erste Stufenspiegel 2 aus einer Mehrzahl von planparalellen Platten 16, die aufeinander gestapelt sind, gebildet, wobei die Platten jeweils gegenüber der direkt darunter liegenden Platte 16 zurückge- setzt sind, so daß Stufen mit ebenen Spiegelteilflachen 17 gebildet sind. Der zweite ist dem ersten Stufenspiegel 2 vorgeordnet und gegenüber diesem um 90° verdreht ist. Das heißt, daß durch die Reflexion an den Spiegelteilflachen 17 mehrere Teilstrahlenbündel mit unterschiedlicher Phase erzeugt werden, wobei die Teilstrahlenbündel in einer ersten Richtung im Strahlenquerschnitt nebeneinander liegen (hier senkrecht zur Zeichenebene), während durch die Refle- xion am ersten Spiegelelement 2 die Teilstrahlenbündel erzeugt werden, die in einer zweiten Richtung im Strahlenquerschnitt, die senkrecht zur ersten Richtung verläuft, nebeneinander liegen (hier in der Zeichenebene). Der zweite Stufenspiegel 12 weist eine größere Stufenhöhe (die Platten 16 sind dicker als die Platten 6) als der erste Stufenspiegel 2 auf, so daß eine Verminderung der Kohärenz in beiden Richtungen im Querschnitt möglich ist.
Durch diese Wahl der Stufenhöhe beim zweiten Spiegelelement 15 wird erreicht, daß auch an Strahlbündelpositionen im Strahlquerschnitt, die im Querschnitt nicht unmittelbar benachbart sind, sondern eine größeren Abstand voneinander aufweisen, unterschiedlichen Phasenverschiebungen aufgeprägt werden. Die Stufenhöhe wird dabei bevorzugt so gewählt, daß der gleiche Phasenversatz frühestens an Strahlenbündelpositionen auftritt, deren Abstand größer als die räumliche Kohärenzlänge ist. So kann die Stufenhöhe beispielsweise so gewählt sein, daß selbst die von den Mikrolinsen 9 in den diagonal gegenüberliegenden Ecken im Mikrolinsenarray 4 ausgehenden Teilstrahlenbündel nicht miteinander interferieren können.
Natürlich müssen die die Stufenhöhen beim ersten und zweiten Spiegelelement 2, 15 nicht konstant sein, sondern können variieren. Auch können die Stufenspiegel 2, 15 im Querschnitt gesehen, sowohl ansteigend als auch absteigend sein, und es ist auch eine statistische Verteilung der Stufenhöhen möglich. Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform fällt das kohärente Strahlenbündel 10 auf den zweiten Stufenspiegel 15 (etwa unter 20° zur Flächennormalen der Spiegelfläche 17) und wird von diesen zum ersten Stufenspiegel hin reflektiert. Dabei werden übereinander liegende Teilstrahlenbündel mit einem durch die Reflexion bedingten Phasenversatz erzeugt, wobei in Fig. 3 nur ein Teilstrahlbündel 18 mit zugehöriger Wellenfront W gleicher Phase eingezeichnet ist. Die Teilstrahlbündel 18 treffen auf das erste Spiegelelement 2 und werden von diesem in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform von Fig.1 reflektiert, so daß auf die diesbezügliche Beschreibung verwiesen wird.
Wenn bei dieser Ausführungsform für jede Spalte des Mikrolinsenarrays 4 eine Spiegelteilfläche 17 vorgesehen ist, wird jede einzelne Mikrohnse 9 mit inkohärenter Strahlung relativ zur Strahlung beaufschlagt, die auf die unmittelbar benachbarten und gegebenenfalls noch weitere be- abstandete Mikrolinsen 9 trifft. Der Abstand zwischen benachbarten Mikrolinsen 9 kann somit deutlich kleiner als die räumliche Kohärenzlänge des kohärenten Strahlenbündels 10 sein, ohne daß deshalb unerwünschte Interferenzeffekte im Objektfeld 14 auftreten.
In einer Weiterbildung der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform ist zwischen den beiden Stufenspiegeln 2, 15 eine 4f-Abbildungsoptik (nicht gezeigt) angeordnet, die die Spiegelfläche des zweiten Stufenspiegels 15 auf die Spiegelfläche des ersten Stufenspiegels abbildet. Dadurch kann sicher gestellt werden, daß aufgrund der vorhandenen Divergenz des kohärenten Strahlenbündels 10 keine (bzw. nur eine sehr geringe) Durchmischung der bei der Reflexion am zweiten Stufenspiegel erzeugten Teilstrahlenbündel 18 auftritt.
In Fig.4 ist ein Lochmaskenarray 19 dargestellt, das anstatt des Mikrolinsenarrays 4 verwendet werden kann, wie in Fig.5 gezeigt ist. Bei der Darstellung in Fig. 5 sind gleiche Elemente wie bei der Ausführungsform von Fig. 1 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und zu ihrer Beschreibung wird auf die entsprechenden Ausführungen zu Fig. 1 verwiesen. Das Lochmaskenarray 19 weist eine Vielzahl von in Spalten und Zeilen angeordneten Durchgangslöchern 20 auf, deren Durchmesser so gewählt ist, daß aufgrund von Beugungseffekten hinter jedem Loch ein diver- gierendes Strahlenbündel ausgeht, das dann in gleicher weise wie bei den oben beschriebenen Ausführungsformen mittels einer Kondensoroptik 5 auf das Objektfeld abgebildet wird (Fig.5). Anders gesagt, das beugungsbedingte Bild jedes Durchgangslochs 20 weist eine an das Objektfeld 14 angepaßte Größe auf. Der Durchmesser der Durchgangslöcher 20 beträgt im beschriebenen Ausführungsbeispiel etwa 10 μm.
Da der Durchmesser der Durchgangslöcher 20 kleiner als der Durchmesser der Mikrolinsen 9 des Linsenarrays 4 ist, können mehr Durchgangslöcher 20 bei gleichen Strahlquerschnitt vorgesehen sein, so daß mehr Quasistrahlensquellen vorgesehen sind, die auf das Objektfeld abgebildet werden. Natürlich wird bevorzugt der Stufenspiegel so angepaßt, daß auf die Durch- gangslocher inkohärende Teile des am Stufenspiegel reflektierten Strahlenbundels 10 treffen Damit laßt sich durch Vorsehen einer verstellbaren Blende (nicht gezeigt) zwischen Lochmaskenarray 19 und Kondensoroptik 5 eine sehr gleichmaßige Verstellbarkeit der Helligkeit im Objektfeld erreichen
Ferner kann noch unmittelbar vor der Kondensoroptik 5, wie in Fig 5 gezeigt ist, eine Ringblende 21 mit einer kreisförmigen Aussparung 22 angeordnet sein, mit der höhere Beugungsordnungen als die nullte Beugungsordnung abgeblendet werden Damit wird möglichst nur die nullte Beugungsordnung ins Objektfeld 14 abgebildet Die Ringblende 21 kann naturlich auch zwi- sehen der Kondensoroptik 5 und dem Objektfeld 14, direkt auf der Kondensoroptik 5 oder, falls die Kondensoroptik 5 mehrere Optikelemente umfaßt, innerhalb der Kondensoroptik 5 angeord¬
Eine weitere Ausgestaltung des Kohärenzminderers 1 ist in Fig 6 dargestellt, bei der das Strah- lenbundel 8 senkrecht auf den Stufenspiegel 2 einfallen kann Dazu ist ein Strahlteiler 23 vorgesehen, der dem Stufenspiegel 2 vorgeordnet ist Der Strahlteiler 23 kann eine teiltransparen- te Platte sein, die 50% der einfallenden Strahlung transmittleren laßt und die andere Hälfte reflektiert In Fig 6 ist nur der Strahlverlauf für die Strahlung eingezeichnet, die zur Beleuchtung des Objektfeldes 14 eingesetzt werden kann Ferner sind die gleichen Elemente wie die von der in Fig 1 gezeigten Ausfuhrungsform mit den gleichen Beugungszeichen bezeichnet Wie Fig 6 zu entnehmen ist, wird auch bei dieser Ausfuhrungsform die gewünschte Phasenverschiebung erzeugt, wobei der Abschattungseffekt am Stufenspiegel 2 aufgrund des senkrechten Strahlungseinfalls praktisch entfallt Der in Fig 6 gezeigte Koharenzminderer 1 kann bei jeder der oben beschriebenen Ausfuhrungsformen eingesetzt werden Insbesondere können zwei derar- tige Koharenzminderer um 90° verdreht (entsprechend der Ausfuhrungsform von Fig 3) hintereinander geschaltet werden
In Fig 7 ist in einer schematischen Perspektivdarstellung eine Weiterbildung der in den Ausfuhrungsformen von Fig 1 , 3 und 5 dargestellten Stufenspiegels 2 gezeigt Bei dieser Weiterbil- düng sind die Spiegelteilflachen 8 jeweils so strukturiert, daß sie ein reflektives Beugungsgitter 24 bilden In Fig 7 ist die Ausrichtung der Gitterfurchen mittels der eingezeichneten dünnen Linien 25 dargestellt Die Gitterfurchen erstrecken sich in der Y-Richtung
In Fig 8 ist eine vergrößerte Darstellung eines Schnitts durch eine der Spiegelteilflachen 8 senkrecht zur Gitterfurchennchtung gezeigt Daraus ist ersichtlich, daß das Reflektionsgitter 24 ein Sagezahn-Profil aufweist und somit ein sogenanntes geblaztes Gitter darstellt Mit einem solchen geblazten Gitter kann ein Großteil des am Gitter gebeugten Lichtes auf eine gewünschte Beugungsordnung konzentriert werden Im vorliegenden Beispiel wird die +1-te bzw -1-te Beugungsordnung genutzt ln der Draufsicht, die in Fig. 9 dargestellt ist, wird die Wirkung der Beugungsgitter 24 verdeutlicht. So führt die Beugung an den einzelnen Beugungsgitter der Spiegelteilflachen 8 zu einem kontinuierlichen zeitlichen Versatz in jedem von jeder Spiegelteilfläche 8 ausgehenden Teil- strahlenbundel S1 bis S5 in der Ebene, die von den einfallenden Strahlenbündel 10 und dem entsprechenden gebeugten Teilstrahlenbündel S1 bis S5 aufgespannt wird. Der durch die Beugung bedingte unterschiedliche zeitliche Versatz erfolgt somit in der Z-Richtung.
Aufgrund der einzelnen Spiegelteilflachen 8 des Stufenspiegels 2 wird natürlich auch noch der schon beschriebenen sprungförmige zeitliche Versatz der von den einzelnen Teilspiegeln 8 ausgehenden bzw. gebeugten Teilstrahlen in der Y-Richtung bewirkt. Zur Verdeutlichung sind in Fig. 9 in dem Strahlenbündel 10 die Wellenfront W (bzw. die Ebene gleichen Emissionszeitpunkts) vor dem Stufenspiegel 2 und die entsprechenden Wellenfronten W1 , W2, W3, W4 und W5 nach der Beugung und Reflexion am Stufenspiegel 2, das auch als Stufengitterelement bezeichnet werden kann, eingezeichnet.
Somit wird in vorteilhafter Weise mit nur einem einzigen Element, dem beschriebenen Stufenspiegel 2 mit den Beugungsgittern 24, eine räumliche Kohärenzminderung des Strahlenbündels 10 in zwei Richtungen bewirkt. Darüber hinaus ist dieser Stufenspiegel technologisch einfach herzustellen. So können die Beugungsgitter 24 auf den Spiegelteilflachen 8 durch bekannte holographische Verfahren leicht als Blazegitter ausgebildet werden.
Der in Fig. 7 gezeigte Stufenspiegel 2 wird bevorzugt so eingesetzt, daß die Beugungsgitter 24 in der Nähe der Autokollimationsbedigung eingesetzt werden. Unter Autokollimationsbedingun- gen wird verstanden, daß der Winkel des einfallenden Strahlenbündels 10 und der Winkel des gebeugten Strahlenbündels der gewünschten Ordnung gleich sind. Wenn nun in der Nähe der Autokollimationsbedingungen gearbeitet wird, findet eine geringe räumliche Verformung des Strahlquerschnitts durch den Stufenspiegel 2 statt. Wenn in der Autokollimationsbedingung gearbeitet wird, ist der Aufbau von Fig. 6 bevorzugt.
In Fig. 10 ist der Teil mit dem Mikrolinsenarray 4, der Kondensoroptik 5 und dem Objektfeld 14 der Beleuchtungsanordnung von Fig. 1 dargestellt, wenn die gebeugten Strahlenbündel S1 bis S5 auf das Mikrolinsenarray 4 treffen. Dabei ist in Fig. 10 die Draufsicht gezeigt, wenn die Darstellung von Fig. 1 der Seitenansicht entspricht. Zur Vereinfachung ist nur die Ebene gleichen Emissionszeitpunkts W1 des Teilstrahlenbündels S1 eingezeichnet.
Wie der Darstellung in Fig. 10 zu entnehmen ist, wird durch die Abbildung mittels der einzelnen Mikrolinsen 9 ein Umklappen der Teilwellenfronten W11 , W12, W13, W14 und W15 bewirkt, wodurch ein zeitlicher Versatz D bzw. eine Phasenverschiebung zwischen den einzelnen von den Mikrolinsen 9 ausgehenden Strahlenbundel M6, M7, M8, M9, M10 vorhanden ist Dadurch kann erreicht werden, daß die einzelnen Strahlenbundel M6 bis M10 untereinander im Objektfeld 14 nicht interferieren, so daß keine störenden Speckel und störende Interferenzen auftreten
Die Beugungsgitter 24 können auch separat vom Stufenspiegel 2 im Kohärenzminderer 1 vorgesehen sein So kann beispielsweise dem Stufenspiegel 2 bei der Ausfuhrungsform von Fig 1 ein reflektives oder transmittives Beugungsgitter (nicht gezeigt) vor- oder nachgeordnet werden
In Fig 11 ist das Mikrolinsenarray, die Kondensoroptik und das Objektfeld der Beleuchtungsanordnung von Fig 1 mit einer vorgeordneten Strahlvervielfachungsanordnung V, auf die das von dem Stufenspiegel 2 reflektierte Strahlenbundel 11 trifft, gezeigt Dabei kann (nicht gezeigt) zwischen dem Stufenspiegel 2 und der Strahlvervielfachungseinπchtung V die 4f- Abbildungsoptik 3 liegen
Die Strahlvervielfachungseinπchtung V umfaßt ein erstes und zweites Modul 27, 28, die im wesentlichen den gleichen Aufbau aufweisen Das erste Modul 27 enthalt einen ersten Strahlteiler 29, einen ersten und einen zweiten Modularm 30, 31 mit jeweils einem Endspiegel 32, 33 und ist über einen Verbindungsarm 34 mit dem zweiten Modul 28 verbunden, das einen zweiten Strahlteiler 35 sowie einen dritten und vierten Modularm 36, 37 aufweist i Die optischen Weglängen der beiden Modularme 30, 31 und 36, 37 der beiden Module 27, 28 sind jeweils so gewählt, daß sie sich um mindestens die halbe zeitliche Koharenzlänge des auf den ersten Strahlteiler 29 treffenden Strahlenbundels 11 unterscheiden Ferner sind der End- spiegel 32 des ersten Modularmes 30 und der Endspiegel 39 des vierten Modularms 37 so geneigt, daß die auf diese Endspiegel 32, 39 treffenden Teilstrahlen einen Einfallswinkel von ungleich 0° aufweisen
Das Strahlenbundel 11 , das vom Stufenspiegel 2 kommt, trifft auf den ersten Strahlteiler 29, der um 45° gegenüber der Richtung des einfallenden Strahlenbundels 11 geneigt ist und der das Strahlenbundel 11 in einen ersten Teilstrahl 40, der in den ersten Modularm 30 eingekoppelt wird, und einen zweiten Teilstrahl 41 aufgeteilt, der in den zweiten Modularm 31 eingekoppelt wird Die beiden Teilstrahlen 40, 41 werden an den Spiegel 32, 33 zum ersten Strahlteiler 29 zuruckreflektiert, wobei der am Endspiegel 32 reflektierte Teilstrahl 42 mit dem einfallenden Teilstrahl 40 einen Winkel ungleich 0° einschließt, wahrend der am Endspiegel 33 reflektierte Teilstrahl 41 in sich zurückläuft und auf den ersten Strahlenteller 29 trifft Von den Strahlen in der Strahlvervielfachungseinnchtung V sind in Fig 11 nur jeweils die Ausbreitungsrichtungen eingezeichnet Natürlich weist jeder Strahl einen gewissen Strahlenquerschnitt auf Der erste Strahlteiler 29 überlagert Teile der zurückreflektierten Teilstrahlen zu einem Strahlenbündel 43, das zwei Teilstrahlen 44, 45 mit divergierenden Ausbreitungsrichtungen enthält, die auf den zweiten Strahlteiler 35 treffen. Das Strahlenbündel 43 wird am Strahlteiler 35 aufgeteilt und in den dritten und vierten Modularm 36, 37 eingekoppelt und die eingekoppelten Strahlen werden an den Endspiegeln 38, 39 zum zweiten Strahlteiler 35 zurückreflektiert und an diesem wiederum überlagert, so daß ein ausfallendes Strahlenbündel 47 erzeugt wird, daß vier divergierende Teilstrahlen 48, 49, 50 und 51 enthält. Aufgrund der unterschiedlichen optischen Weglängen im ersten und zweiten Modularm 30 und 31 sowie im dritten und vierten Modularm 36, 37 findet die Überlagerung an den Strahlteilern 29, 35 der zurückreflektierten Strahlen ohne störende Interferenzerscheinungen statt. Die Strahlvervielfachungseinrichtung V entspricht daher im wesentlichen zwei hintereinandergeschalteten, verstimmten Michelson-Interferometern, wobei sowohl die Länge der einzelnen Arme als auch die Ausrichtung der Endspiegel verstimmt sind.
Das ausfallende Strahlenbündel 47 (nun als Strahlenbündel mit räumlicher Ausdehnung gezeichnet) trifft nun auf das Mikrolinsenarray 4, wobei zur Verdeutlichung der weitere Strahlenverlauf nach dem Mikrolinsenarray 4 nur für eine der Mikrolinsen 9 des Mikrolinsenarrays 4 eingezeichnet ist. Für die anderen Mikrolinsen 9 ist der Strahlenverlauf entsprechend. Aufgrund der unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen der Teilstrahlen 48 bis 51 erzeugt die Mikrohnse vier Brennpunkte bzw. Foki in der Pupillenebene P. Anders gesagt, es gehen von jeder Mikrohnse vier Beleuchtungsteilstrahlenbündel M1, M2, M3, M4 aus, deren Brennpunkte (bzw. Orte mit geringstem Strahlquerschnitt) nicht aufeinander, sondern nebeneinander liegen (bevorzugt in einer Ebene). Dadurch wird eine gleichmäßigere Pupillenfüllung erreicht. Mittels der Konden- sor-optik 5 wird dann das Objektfeld 14 beleuchtet.
In der Pupillenebene P, die zwischen dem Mikrolinsenarray 4 und der Linsenoptik 5 liegt, kann noch, wie aus der Mikroskopie bekannt ist, eine verstellbare Blende (nicht gezeigt) vorgesehen sein mit der die Helligkeit der Ausleuchtung im Objektfeld 14 und das Winkelspektrum der auf das Objektfeld 14 treffenden Strahlen einstellbar ist. Aufgrund der gleichmäßigen Pupillenfül- lung mit den vielen Brennpunkten (Anzahl der Mikrolinsen mal Anzahl der Teilstrahlen des Strahlenbündels 47) kann beispielsweise die Helligkeit sehr gleichmäßig durch Variation des Blendendurchmessers verändert werden (ohne Helligkeitssprünge).
In Fig. 12 ist eine kompakte Ausführungsform der Strahlvervielfachungseinrichtung V gezeigt, wobei diese nur ein einziges verstimmtes Michelson-Interferometer umfaßt. Die Strahlvervielfachungseinrichtung V enthält ein 90°-Prisma 52 sowie ein weiteres Prisma 53, das kein 90°- Prisma ist. Beide Prismen 52, 53 sind so angeordnet, daß zwischen den beiden einander zugewandten Seiten H1 und H2 eine Strahlteilerschicht 54 vorgesehen werden kann, die als erster Strahlteiler wirkt. Der einfallende Strahl bzw Strahlenbundel 11 trifft durch eine erste Kathetenseite K1 des ersten Prismas 52 hindurch, durchläuft das erste Prisma 52 und trifft auf die Strahlteilerschicht 54 Ein Teil des einfallenden Strahls 11 wird an der Strahlteilerschicht 54 reflektiert (in Fig 12 nach oben) und der andere Teil wird transmittiert Der reflektierte Teil wird an der zweiten Kathetenseite K2 des ersten Prismas 52, die verspiegelt ist, zur Strahlteilerschicht 54 zuruckreflektiert Der transmittierte Teil durchläuft das zweite Prisma 53 und wird an der entsprechenden Seite K3 des zweiten Prismas 53, die verspiegelt ist, zur Strahlteilerschicht 54 zuruckreflektiert Teile der zuruckreflektierten Strahlen werden an der Strahlteilerschicht 54 zusammengeführt und durchlaufen das zweite Prisma 53 und treten an der dritten Seite K4 des zweiten Prismas 53 als ausfallendes Strahlenbundel 47 aus
Der erste Modularm 30 liegt somit im ersten Prisma 52 und der zweite Modularm 31 hegt am zweiten Prisma 53 Die unterschiedlichen optischen Weglangen in den beiden Modularmen 30, 31 sind durch die unterschiedlichen Größen der beiden Prismen 52, 53 eingestellt Da die zweite Seite K3 des zweiten Prismas 53 gegenüber dem einfallenden Teilstrahl einen Winkel von ungleich 90° einnimmt (somit ist der Einfallswinkel des Teilstrahls ungleich 0°), weist das ausfallende Strahlenbundel 47 zwei Teilstrahlen 48, 49 auf Die beiden Prismen 52, 53 sind bevorzugt Quarzprismen
Es können mehrere der in Fig 12 gezeigten Strahlvervielfachungseinnchtungen V hintereinan- dergeschaltet werden, wobei jede Strahlvervielfachungseinnchtung V eine Verdopplung der Teilstrahlen mit divergierenden Ausbreitungsrichtungen im ausfallenden Strahlenbundel bewirkt
In Fig 13 ist eine weitere Ausfuhrungsform der Strahlvervielfachungseinπchtung V gezeigt, wobei in diesem Fall drei 90°-Pπsmen 55, 56 und 57 (bevorzugt Quarz-Prismen) vorgesehen und somit drei verstimmte Michelson-Interferometer, die hinteremandergeschaltet sind, verwirklicht sind An der Hypotenusenseite H1 des ersten Prismas 55 hegen das zweite und dritte Prisma 56, 57 jeweils mit einer ihrer Kathetenseiten K3, K5 an, wobei eine Strahlteilerschicht 58 dazwischen vorgesehen ist Gleichzeitig liegt das zweite Prisma 56 mit seiner zweiten Kathetenseite K4 an der zweiten Kathetenseite K6 des dritten Prismas 57, wobei wiederum eine Strahlteilerschicht 59 dazwischen vorgesehen ist
Die beiden Hypotenusenseiten H2, H3 des zweiten und dritten Prismas 56, 57 sowie Teile T1, T2 der beiden Kathetenseiten K1 , K2 des ersten Prismas 55 sind verspiegelt Wie aus dem eingezeichneten Strahlverlauf zu entnehmen ist, finden drei Strahlteilungen statt, so daß das ausfallende Strahlbundel 47 aus acht Teilstrahlen zusammengesetzt ist Die Hypotenusenseite H2 und H3 des zweiten und dritten Prismas 56, 57 weisen eine entsprechende Neigung (nicht eingezeichnet) zu den einfallenden Teilstrahlen auf, so daß durch diese Verkippung der beiden Hypotenusenseiten H2 und H3 acht Teilstrahlen mit divergierenden Ausbreitungsrichtungen (nicht dargestellt) in dem ausfallenden Strahlenbündel 47 enthalten sind. Somit kann mit dieser sehr kompakten Prismenanordnung eine Verachtfachung des einfallenden Strahls 11 realisiert werden, so daß von jeder Mikrohnse 9 (Fig. 11) nicht nur ein Beleuchtungsteilstrahl, sondern acht Beleuchtungsteilstrahlen ausgehen. Somit enthält das Mikrolinsenarray 4 scheinbar acht mal so viele Mikrolinsen 9 wie tatsächlich vorhanden sind.
Natürlich können die beschriebenen Strahlvervielfachungseinrichtungen V dem Stufenspiegel 2 nicht nur nachgeordnet, sondern auch vorgeordnet sein. In diesem Fall trifft dann das divergierende Strahlenbündel schon auf den Stufenspiegel 2.

Claims

Patentansprüche
1. Beleuchtungsanordnung mit einem einen Spiegel (2) aufweisenden Kohärenzminderer (1), der mittels des Spiegel (2) einem zugeführten kohärenten Strahlenbündel (10) unterschiedliche Phasenverschiebungen in Abhängigkeit von der Position im Strahlquerschnitt einprägt und als Beleuchtungsstrahlenbundel (11) abgibt, und mit einer dem Kohärenzminderer (1) nachgeordneten Beleuchtungsoptik, die eine Mikrooptik (4; 19) mit einer Vielzahl von Optikelementen (9; 20), die rasterartig angeordnet sind, und eine der Mikrooptik (4; 19) nachgeordnete Abbildungsoptik (5) umfaßt, wobei das Beleuchtungsstrahlenbundel (10) auf die Mikrooptik (4; 19) trifft und dadurch von jedem Optikelement (9; 20) ein Strahl (M1 , M2, M3, M4, M5) ausgeht, der mittels der Abbildungsoptik (4) zur Beleuchtung eines Objektfeldes (14) eingesetzt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel ein erstes Spiegelelement (2) umfaßt, dessen Oberfläche in mehrere Spiegelteilflachen (8) aufgeteilt ist, die zueinander parallel angeordnet und in Richtung ihrer Flächennormalen versetzt sind, wobei das zugeführte Strahlenbündel (10) an den Spiegelteilflachen (8) derart reflektiert wird, daß von den Spiegelteilflachen (8) Teilstrahlenbündel (11) ausgehen, die zur Bildung des Beleuchtungsstrahlenbündels mit den unterschiedlichen Phasenverschiebungen dienen.
2. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohärenz- minderer (1) dem zugeführten Strahlenbündel für benachbarte Optikelemente unterschiedliche Phasenverschiebungen einprägt.
3. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Optikelemente (9; 20) der Mikrooptik (4; 19) in Zeilen und Spalten angeordnet sind und dem zugeführten Strahlenbündel bei Reflexion an der Oberfläche des ersten Spiegelelements
(2) für die Optikelemente (9; 20) jeder Zeile oder jeder Spalte eine andere Phasenverschiebung aufgeprägt wird.
4. Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Spiegelelement (2) eine Vielzahl von aufeinander gestapelten planparallelen Platten (6) aufweist, wobei bei jeweils zwei aufeinanderliegenden Platten (6) die Stirnseite (7) der oberen Platte gegenüber der Stirnseite (7) der unteren Platte (6) zu- rückgesetzt ist
5. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Optikelement (9; 20) der Mikrooptik (4; 19) genau eine Spiegelteilfläche zugeordnet ist.
6. Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spiegelteilfläche genau ein Optikelement (9;20) zugeordnet ist, wobei mehrere der Spiegelteilfläche demselben Optikelement (9; 20) zugeordnet sind.
7. Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Spiegelelement (2), in Draufsicht gesehen, eine durchgehende Spiegelfläche aufweist.
8. Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Versatz von benachbarten Spiegelteilflachen (8) zumindest der halben zeitlichen Kohärenzlänge des zugeführten Strahlenbündels (10) entspricht.
9. Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Spiegelelement (2) und der Mikrooptik (4) eine erste Zwischenoptik (3) angeordnet ist, die das erste Spiegelelement (2) auf die Mikrooptik (4) abbildet.
10. Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Spiegelelement ein Strahlteiler (23) vorgeschaltet ist, über den das Strahlenbündel (10) dem ersten Spiegelelement (2) zugeführt wird und mittels dem eine gewisser Anteil jedes Beleuchtungsteilstrahlenbündels zur Beleuchtungsoptik (4, 5) ge- führt wird.
11. Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel ein zweites, dem ersten Spiegelelement (2) vorgeordnetes Spiegelelement (15) aufweist, dessen Oberfläche mehrere Spiegelteilflachen (17) aufweist, die zu- einander parallel angeordnet und in Richtung ihrer Flächennormalen versetzt sind, wobei von den Spiegelteilflachen des zweiten Spiegelelements ausgehende Teilstrahlenbündel unterschiedliche Phasenverschiebungen für verschiedene der Optikelemente (9; 20) aufweisen.
12. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten und zweiten Spiegelelement (2, 15) eine zweite Abbildungsoptik vorgesehen ist, die das zweite Spiegelelement (15) auf das erste Spiegelelement (2) abbildet.
13. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Spiegelelement (15), in Draufsicht gesehen, eine durchgehende Spiegelfläche aufweist.
14. Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spiegelelemente (2, 15) jeweils als Stufenspiegel ausgebildet sind, die zueinander verdreht angeordnet sind.
15. Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Optikelemente (9; 20) der Mikrooptik (4; 19) gleiche Optikelemente sind, wobei die Mikrooptik insbesondere als Mikrolinsenarray (4) oder Lochmaskenarray (19) ausgebildet ist.
16. Beleuchtungsanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohärenzminderer (1) ein Beugungsgitter (24) aufweist, das mit dem zugeführten Strahlenbündel beaufschlagt wird und ein gebeugtes Strahlenbündel einer vorbestimmten, nicht nullten Ordnung abgibt, das zur Bildung des Beleuchtungsstrahlenbündels ver- wendet wird.
17. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (24) dem ersten Spiegelelement vor- oder nachgeordnet ist.
18. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Spiegelteilflachen (8) des ersten Spiegelelements (2) so strukturiert ist, daß sie das Beugungsgitter (24) bildet.
19. Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (24) als geblaztes Gitter ausgebildet ist.
20. Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelteilflachen (8) des ersten Spiegelelements (2) die unterschiedlichen Phasenverschiebungen in einer ersten Richtung im Strahlquerschnitt des Beleuchtungsstrah- lenbündels (10) einprägen und das Beugungsgitter (24) unterschiedliche Phasenverschiebungen in einer zweiten Richtung im Strahlquerschnitt des Beleuchtungsstrahlenbündels (10) bewirkt.
21. Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (24) in Autokollimation genutzt wird.
22. Beleuchtungsanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohärenzminderer eine Strahlvervielfachungseinrichtung (V) umfaßt, die das zu- geführte kohärente Strahlenbündel in mehrere Teilstrahlen aufteilt und diese danach zu einem Strahlenbündel (47) zusammenführt, in dem die Teilstrahlen (48, 49, 50, 51 ) divergieren.
23. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrah- len nach der Aufteilung in der Strahlvervielfachungseinrichtung (V) Wege mit unterschiedlichen optischen Längen durchlaufen und erst danach zum Strahlenbündel (47), in dem sie divergieren, zusammengeführt werden.
24. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlvervielfachungseinrichtung (V) eine erstes Modul (27) enthält, das einen ersten
Strahlteiler (29) sowie einen ersten und einen zweiten Modularm (30, 31) mit jeweils einem Endspiegel (32, 33) aufweist, wobei das auf den ersten Strahlteiler (29) treffende Strahlenbündel (11) in einen ersten Teilstrahl (40), der in den ersten Modularm (30) eingekoppelt wird, und in einen zweiten Teilstrahl (41) aufgeteilt wird, der in den zweiten Modularm (31) eingekoppelt wird, wobei zumindest Teile der von den Endspiegeln (32,
33) zum Strahlteiler (29) zurückreflektierten Teilstrahlen (41 , 42) mittels dem ersten Strahlteiler (29) zu einem Strahlenbündel (43), in dem die Teilstrahlen (44, 45) divergierend zusammengeführt werden, und wobei zumindest einer der beiden Endspiegel (32) eine ebene Spiegelfläche aufweist, die dazu angeordnet ist, daß der Einfallswinkel des entsprechenden Teilstrahls (40) ungleich 0° ist.
25. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß sich die optischen Längen der beiden Modularme (30, 31) um zumindest die halbe zeitliche Kohärenzlänge des zugeführten Strahls (11) unterscheiden.
26. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 24 oder 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlvervielfachungseinrichtung (V) zumindest ein zweites Modul (28) mit einem zweiten Strahlteiler (35) sowie einem dritten und vierten Modularm (36, 37) mit jeweils einem Endspiegel (38, 39) umfaßt, wobei das vom ersten Strahlteiler (29) kommende Strahlen- bündel (43) auf den zweiten Strahlteiler (35) trifft und von diesem in ein drittes Teilstrahlenbündel, das in den dritten Modularm (36) eingekoppelt wird, und ein viertes Teilstrahlenbündel aufgeteilt wird, das in den vierten Modularm (37) eingekoppelt wird, wobei zumindest Teile der von den Endspiegeln (38, 39) des dritten und vierten Modularms (36, 37) zum zweiten Strahlteiler (35) zurückreflektierten dritten und vierten Teilstrahlenbündel mittels dem zweiten Strahlteiler (35) zum Strahlenbündel (47), in dem die Teilstrahlen divergierend vereinigt werden, wobei zumindest einer der beiden Endspiegel (39) des dritten und vierten Modularms (36, 37) eine ebene Spiegelfläche aufweist, die so angeordnet ist, daß der Einfallswinkel jedes der Teilstrahlen des Teilstrahlenbündels des entspre- chenden Modularms (37) ungleich 0° ist.
27. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß sich die optischen Weglängen des dritten und vierten Modularms (36, 37) um mindestens die halbe zeitliche Kohärenzlänge des zugeführten Strahlenbündels (10) unterscheiden.
28. Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 22 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Modul (27) zwei Prismen (52, 53; 55, 56) umfaßt, wobei ein erstes der beiden Prismen (52; 55) mit seiner ersten Seite (H1) an einer ersten Seite (K2; K3) des zweiten Prismas (53; 56) anliegt und zwischen den beiden Seiten (H1 , H2; K3) eine den ersten Strahlteiler bildende Strahlteilerschicht (54; 58) angeordnet ist und wobei der erste
Modularm (30) im ersten Prisma (52; 55) und der zweite Modularm (31) im zweiten Prisma (53; 56) liegt.
29. Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß ein drittes Prisma (57) vorgesehen ist, das mit seiner ersten Seite (K5) an der ersten Seite (H1) des ersten Prismas (55) anliegt, wobei die erste Strahlteilerschicht (58) dazwischen vorgesehen ist, und wobei das dritte Prisma (57) mit seiner zweiten Seite (K5) an einer zweiten Seite (K4) des zweiten Prismas (56) anliegt, wobei dazwischen eine zweite Strahlteilerschicht (59) angeordnet ist.
30. Beleuchtungsanordnung nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand von benachbarten Optikelementen (9; 20) der Mikrooptik (4; 19) mindestens so groß ist wie die laterale Kohärenzlänge des zugeführten Strahlenbündels (11).
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