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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Prismenpolarisator mit einem zwischen einem
ersten und zweiten Prisma angebrachten Polarisationsteilerelement,
welches zur Transmission von Licht mit einer ersten Polarisationsrichtung
und zur Reflexion von Licht mit einer zweiten Polarisationsrichtung
vorgesehen ist.
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Diskussion
des verwandten Standes der Technik
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Derartige
Prismenpolarisatoren sind verschiedentlich bekannt und werden u.a.
zur Aufspaltung eines beliebig polarisierten Lichtstrahls in zwei
linear polarisierte Teilstrahlen mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung
verwendet. Häufig
wird hierbei der vom Polarisationsteilerelement reflektierte Teilstrahl
verworfen, während
der transmittierte, linear polarisierte Teilstrahl als Lichtstrahl
weiterverwendet wird.
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Ein
typischer Prismenpolarisator ist der Glan-Thompson Polarisator.
Dieser Polarisator nutzt den allgemeinen Effekt, dass an einer Grenzschicht
zwischen einem ersten Medium (mit Brechzahl n1)
und einem zweiten Medium (mit Brechzahl n2)
bei genügend
hohem Einfallswinkel Totalreflexion auftritt, wenn die Brechzahl
des ersten Mediums größer ist
als die Brechzahl des zweiten Mediums (n1 > n2).
Besteht das erste Medium aus einem doppelbrechenden Kristall, so
spaltet dieser das Licht in einen ordentlichen Teilstrahl mit senkrecht zum
Hauptschnitt des Kristalls liegendem Lichtvektor und einen außerordentlichen
Teilstrahl mit parallel zum Hauptschnitt liegendem Lichtvektor auf.
Als Lichtvektor wird hier die Schwingungsrichtung des elektrischen Feldstärkevektors
bezeichnet. Der Hauptschnitt des Kristalls bezeichnet die Ebene,
die durch die kristallographische Hauptachse und die Richtung der
Wellenfronten festgelegt wird. Die Brechzahl des ordentlichen Teilstrahls
(no) ist in der Regel isotrop, während die
Brechzahl des außerordentlichen
Teilstrahls (ne) von der Lichtrichtung im
Kristall abhängt.
Insbesondere bei Ultraviolettlicht kann es für den Teilstrahl no zu
einer räumlichen Dispersion
kommen. Im folgenden wird mit der Brechzahl ne bei
Kristallen mit positiver Doppelbrechung der Maximalwert ne max und bei Kristallen mit negativer Doppelbrechung
der Minimalwert ne min der Brechzahl des außerordentlichen
Teilstrahls bezeichnet.
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Liegt
die Brechzahl eines der beiden Teilstrahlen über der Brechzahl des zweiten
Mediums, die des anderen Teilstrahls hingegen unter dieser Brechzahl,
kann dies dazu führen,
dass der Teilstrahl mit der größeren Brechzahl
an der Grenzfläche
reflektiert wird, der Teilstrahl mit der niedrigeren Brechzahl hingegen
bis auf Fresnellsche Reflexionsverluste ungehindert die Grenzfläche passiert.
Bei geeigneter Ausrichtung der Grenzfläche im Bezug auf den einfallenden
Teilstrahl (der für
die Reflexion vorgesehene Teilstrahl muss unter einem Winkel auf
die Grenzfläche
treffen, der größer ist
als der Grenzwinkel der Totalreflexion) kann die gewünschte Polarisationsteilungswirkung
erzielt werden.
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Zur
Erzeugung einer als Polarisationsteilerelement dienenden Grenzfläche wird
beim herkömmlichen Glan-Thompson
Polarisator optischer Kitt als Polarisationsteilerelement zwischen
das erste und das zweite Prisma eingebracht. Als Prismenmaterial
wird häufig
der einachsige Kristall Kalkspat (CaCO3)
verwendet, da dieser eine große
Brechzahldifferenz |Δn|
= |no – ne| zwischen ordentlichem und außerordentlichem
Strahl aufweist und dadurch für
einen großen
Winkelbereich die Polarisationsteilung ermöglicht. Kalkspat hat negative Doppelbrechung.
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In
der
US 3,511,556 wird
ein verbesserter Glan-Thompson Polarisator vorgeschlagen, bei dem
eines der beiden Prismen des Polarisators aus einem optisch isotropen
Material hergestellt wird. Hierdurch wird die Menge von Kalkspat,
die zur Herstellung des Polarisators notwendig ist, auf die Hälfte reduziert.
Dies erweist sich als vorteilhaft, da Kalkspat nicht künstlich
hergestellt wird, in der Natur nicht in beliebigen Mengen verfügbar ist
und Stücke
ausreichender Größe mit geringen
Kristallbaufehlern kaum erhältlich
bzw. sehr teuer sind. Als nachteilig kann es sich erweisen, wenn
das Prisma aus optisch isotropem Material im Lichtweg nach dem Polarisationsteilerelement
angebracht ist, da in diesem Fall auch schon kleine, z.B. durch
Temperaturänderungen
bei der Bestrahlung hervorgerufene Spannungsänderungen im Prismenmaterial
eine spannungsinduzierte Doppelbrechung hervorrufen können, welche
den definierten linearen Polarisationszustand, den das Nutzlicht
nach dem Durchgang durch das Polarisationsteilerelement aufweist,
zerstören
können.
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Ein
weiteres Einsatzgebiet von Prismenpolarisatoren ist die Verwendung
als physikalischer Strahlteiler, z.B. in Projektionsobjektiven von
Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlagen. Der Prismenpolarisator dient
hier als Strahlumlenkeinrichtung, die je nach Polarisationsvorzugsrichtung
das Licht nach Art eines Umlenkspiegels unter Reflexion umlenkt oder
transmittiert und nicht zur Erzeugung von polarisiertem Licht, da schon
linear polarisiertes Licht in den Prismenpolarisator eingestrahlt
wird. Die dort als Strahlteiler verwendeten Prismenpolarisatoren
können
entsprechend dem Strahldurchmesser der verwendeten Strahlung ein
erhebliches Bauvolumen aufweisen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Prismenpolarisator bereitzustellen,
bei dem negative Effekte durch spannungsinduzierte Doppelbrechung
weitgehend vermieden werden. Insbesondere soll der Prismenpolarisator
auch mit großem
Bauvolumen herstellbar sein.
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Die
Aufgabe wird gemäß einer
Formulierung der Erfindung gelöst.
Durch einen Prismenpolarisator mit einem zwischen einem ersten und
zweiten Prisma angebrachten Polarisationsteilerelement, welches
zur Transmission von Licht mit einer ersten Polarisationsrichtung
und zur Reflexion von Licht mit einer zweiten Polarisationsrichtung
vorgesehen ist, wobei das erste und/oder das zweite Prisma aus einem
synthetisch herstellbaren, optisch einachsigen doppelbrechenden
Material besteht, dessen doppelbrechende Eigenschaften im Wellenlängenbereich
des Lichts im Wesentlichen von spannungsinduzierter Doppelbrechung
unabhängig sind.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben. Der Wortlaut sämtlicher
Ansprüche
wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Bei
einem erfindungsgemäßen Prismenpolarisator
der eingangs genannten Art besteht das erste und/oder das zweite
Prisma aus einem synthetisch herstellbaren, optisch einachsigen
doppelbrechenden Material, dessen doppelbrechende Eigenschaften
im Wellenlängenbereich des
verwendeten Lichts im wesentlichen von spannungsinduzierter Doppelbrechung
unabhängig
sind. Bei Verwendung von Prismenmaterialien mit ausreichend großer, materialspezifischer
Doppelbrechung ist die spannungsinduzierte Doppelbrechung, wie sie
z.B. durch Temperaturschwankungen oder mechanische Einflüsse hervorgerufen
werden kann, vernachlässigbar
klein und hat daher im Vergleich zur ohnehin vorhandenen, materialspezifischen
Doppelbrechung praktisch keine polarisationsverändernde Wirkung auf das Licht.
Durch den Einsatz von Materialien, die synthetisch herstellbar sind,
kann der Prismenpolarisator bei Bedarf mit großem Bauvolumen ausgeführt werden.
Insbesondere bei Verwendung von synthetischem NaNO3 sind
große
Querschnitte auch für
die stark doppelbrechende Platte realisierbar. Dieses Material ist
zwar wasserlöslich,
kann aber in gegen Wasser geschützter
Umgebung genutzt werden. Weiterhin gut geeignet als Prismenmaterial
sind synthetisch hergestellter Bergkristall (SiO2),
MgF2, LaF3 oder
Al2O3.
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Die
folgende Tabelle listet weitere Kristallmaterialien, die zur Herstellung
der stark doppelbrechenden Platte verwendet werden können. Die
Brechzahlen sind jeweils für λ = 589 nm
angegeben.
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Die
folgende Tabelle listet weitere einachsige Kristallmaterialien,
deren Doppelbrechung ausreichend groß ist, um als Prismenmaterial
verwendet zu werden. Die Brechzahlen sind jeweils für λ = 589 nm
angegeben.
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Bei
Verwendung des Prismenpolarisators zur Erzeugung linear polarisierten
Lichts, insbesondere für Beleuchtungszwecke,
ist es möglich,
das im Lichtweg vor dem Polarisationsteilerelement befindliche Prisma aus
einem optisch istotropen, amorphen oder kristallinen Material herzustellen,
solange unpolarisiertes Licht (z.B. natürliches Licht) verwendet wird.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung besteht das erste und/oder das
zweite Prisma des Prismenpolarisators aus einem doppelbrechenden
Material mit einer Brechzahldifferenz ΔnP im
Wellenlängenbereich
des Lichts von 0,0005 < |ΔnP| = |nPo – nPe| < 0,01
und das Polarisationsteilerelement aus einem doppelbrechenden Material
mit einer Brechzahldifferenz ΔnT im Wellenlängenbereich des Lichts von
|ΔnT| = |nTo – nTe| > 0,1.
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Das
Prismenmaterial ist somit schwächer
doppelbrechend als das Material des Polarisationsteilerelements.
Die Doppelbrechung des Prismenmaterials ist aber ausreichend, um
die Zerstörung
eines definierten Polarisationszustandes durch spannungsinduzierte
Doppelbrechung zu verhindern. Die spannungsinduzierte Doppelbrechung
(SDB) kann von außen
durch mechanische Spannungen oder durch Wärmeeintrag oder -austrag und
damit durch innere Spannungen entstehen. Unabhängig davon können Kristallbaufehler
eine andauernde innere Doppelbrechung verursachen. Die Brechzahldifferenz
|ΔnP| ist hierbei so gering, dass das Prismenmaterial
für eine
Reihe von Anwendungen, wie Polarisator und Analysator in der optischen
Messtechnik, im wesentlichen wie ein optisch isotropes Material
mit einer einzigen Brechzahl nP behandelt werden
kann, die beispielsweise durch Mittelwertbildung aus den Brechzahlen
nPo und nPe festgelegt
ist.
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Die
starke Doppelbrechung des Polarisationsteilerelements erzeugt eine
ausreichend große
Brechzahldifferenz |ΔnT| zwischen ordentlichem und außerordentlichem
Strahl, um eine effiziente Polarisationsteilung zu gewährleisten.
Wenn ein positiv doppelbrechendes Prismenmaterial zum Einsatz kommt,
ist die Brechzahl des ordentlichen Strahls nTo kleiner
als die Brechzahl des außerordentlichen
Strahls nTe. Bei negativ doppelbrechendem
Material ist es umgekehrt, d.h. nTo > nTe.
Die Brechzahl der Prismen nP sollte möglichst
nahe an der größeren der
beiden Brechzahlen nTo, nTe liegen,
damit der vom Polarisationsteilerelement transmittierte Strahl den
Polarisator möglichst
ohne eine Veränderung
(wie z.B. Brechung, Reflexionsverluste) des Strahldurchgangs durchlaufen
kann.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung weist der Prismenpolarisator ein
Polarisationsteilerelement auf, das aus einer Platte aus CaCO3 besteht. Mit einer solchen Ausführungsform
des Prismenpolarisators ist ein großvolumiger Aufbau des Polarisators
realisierbar, ohne dass große
Volumen von CaCO3 erforderlich sind, da
hierbei nur eine relativ kleinvolumige (dünne) Platte aus CaCO3 benötigt
wird, die in ausreichender Größe hergestellt
werden kann. Ein großer
CaCO3-Kristall genügt, um viele einzelne dünne Platten
herzustellen. Planparallele Platten sind bevorzugt, eine Platte
kann aber auch schwach keilförmig
sein, d.h. nicht-parallele Plattenflächen haben.
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Die
Totalreflexion kann auf einer Lichteintrittsseite der Platte aus
CaCO3 auftreten, wenn an dieser ein Übergang
vom optisch dichteren ins optisch dünnere Medium stattfindet.
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In
einer Ausführungsform
ist dem Polarisationsteilerelement eine Kompensationsplatte zur
Korrektur des Strahlversatzes zugeordnet. Das Anbringen einer solchen
Platte erweist sich insbesondere dann als günstig, wenn die Brechzahl des
Prismas nP nicht mit der größeren der
beiden Brechzahlen nTo oder nTe des
Polarisationsteilerelements übereinstimmt,
so dass der transmittierte Teilstrahl an den Grenzflächen zwischen
Prisma und Polarisationsteilerelement eine Ablenkung erfährt. Die
Wirkung dieser Ablenkung kann durch die Kompensationsplatte korrigiert
werden, indem die Dicke und Brechzahl der Kompensationsplatte geeignet
gewählt werden.
Ziel der Kompensation ist es, einen Strahlversatz zwischen eintretendem
Lichtstrahl und austretendem Lichtstrahl zu minimieren oder Aberrationen
zu vermeiden, die sich insbesondere bei Verwendung von konvergentem
oder divergentem einfallenden Licht und insbesondere bei Verwendung
derartiger Bauteile in einem abbildenden Strahlengang nachteilig
auswirken können.
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Eine
Kompensationsplatte zur Korrektur des Strahlversatzes kann direkt
am Polarisationsteilerelement angebracht sein. Es kann sich beispielsweise
um eine planparallele Platte handeln, die in direkten Flächenkontakt
zu einer planparallelen Platte des Polarisationsteilerelements steht.
Es kann jedoch günstig
sein, wenn die Kompensationsplatte nicht parallel zum Polarisationsteilerelement
ausgerichtet ist, sondern in einem Winkel zu diesem steht. Dann
kann der Winkel, den die Kompensationsplatte mit der Hauptdurchstrahlungsrichtung
einnimmt, unabhängig
von der Ausrichtung des Polarisationsteilerelements günstig eingestellt
werden. Bei einer Ausführungsform,
die besonders für
hohe Ansprüche
bezüglich
Strahlqualität
für geöffnete Büschel (konvergent
oder divergent) ausgelegt ist, ist die Kompensationsplatte entgegen
der Winkellage des Polarisationsteilerelements gegenüber der
Durchstrahlungsrichtung verkippt. Hierdurch lässt sich bei geeigneter Auslegung
von Winkel und Plattendicken eine vollständige Bildfehlerkompensation
in der Einfallsebene des durchtretenden Lichts erzielen.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung bestehen das erste und das zweite
Prisma des Polarisators aus Al2O3. Die Brechzahlen von Al2O3 liegen bei Verwendung eines geeigneten
Wellenlängenbereichs
(sichtbares Licht) in der Nähe
der Brechzahl des ordentlichen Strahls von CaCO3,
so dass ein paralleler Strahlversatz des transmittierten Teilstrahls
hinreichend klein ist, um bei typischen Laboranwendungen oder der
Verwendung von kollimiertem Licht keine störende Auswirkung zu haben.
Bei Verwendung von konvergentem oder divergentem Licht kann eine
Kompensationsplatte den resultierenden Astigmatismus bei Feldbelastung
und den Strahlversatz korrigieren. Die Verwendung von Al2O3 oder LaF3 als Prismenmaterial hat außerdem den
Vorteil, dass dieses in hoher Kristallqualität und in für alle praktischen Fälle ausreichenden
Volumina verfügbar
ist.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist der Prismenpolarisator für einen
Spektralbereich des Lichts von 200 nm bis 3,3 μm ausgelegt. Der Prismenpolarisator
ist somit für
eine große
Bandbreite von Wellenlängen ausgelegt
und für
eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar. Er kann z.B. in der oben
beschriebenen Kombination aus Al2O3 als Prismenmaterial und CaCO3 als
Polarisationsteilerelement ausgeführt sein. Man kann im Rahmen
der Erfindung aber auch für
andere Teilbereiche des Spektrums Materialien finden, mit denen
sich ein Prismenpolarisator geeignet aufbauen lässt. Auch folgende Materialkombinationen
für Prisma/Polarisationsteilerelement
sind möglich:
SiO2/NaNO3 oder
LaF3/CaCO3.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung umfasst das Polarisationsteilerelement
des Prismenpolarisators ein Mehrlagen-Schichtsystem. Die Zahl der
doppelbrechenden Materialien, die zur Herstellung eines Polarisationsteilerelements
geeignet sind, und damit die Zahl der zur Verfügung stehenden Brechzahlen
ist, insbesondere für
Anwendungen im UV-Bereich und im fernen IR-Bereich, gering. Mehrlagen-Schichtsysteme
können hingegen
in unterschiedlichen Varianten mit unterschiedlichen Brechzahlen
ausgeführt
sein, da diese mit mehrfacher Reflexion arbeiten. Die Brechzahl
des Polarisationsteilerelements, die an die Prismenbrechzahl nP angepasst werden muss, ist bei Verwendung
eines Mehrlagen-Schichtsystems in einem weiten Bereich wählbar. Außerdem sind
auch Bauformen des Prismenpolarisators herstellbar, für die Platten
aus stark doppelbrechendem Volumenmaterial nicht in ausreichender
Größe zur Verfügung stehen.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung weist das Mehrlagen-Schichtsystem
des Prismenpolarisators alternierende Schichten von MgF2/LaF3 und/oder MgF2/BaF2 auf. Der Einsatz eines solchen Schichtsystems kann
sich im Zusammenhang mit MgF2 als Prismenmaterial
besonders günstig
auswirken, insbesondere für Anwendungen
im tiefen Ultraviolett.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung besteht das erste und/oder das
zweite Prisma aus MgF2 oder SiO2.
Diese Materialien können
in Zusammenhang mit Mehrlagen-Schichtsystemen besonders vorteilhaft
eingesetzt werden, da die Brechzahl des Polarisationsteilerelements
hier an die Prismenbrechzahl derart angepasst werden kann, dass
ein von Strahlversatz freier Strahlverlauf gewährleistet ist. SiO2 ist
in großen
Volumendimensionen einkristallin relativ kostengünstig herstellbar. Die Kristalle
MgF2 oder SiO2 sind
auch bei geringen Lichtwellenlängen
im tiefen Ultraviolett, insbesondere bei 157 nm, noch transparent.
Werden eine höhere
Prismenbrechzahl und gute optische Qualität benötigt, so ist LaF3 für 193 nm
besonders geeignet. Im Infrarotbereich ist CdS als Prismenmaterial
verwendbar.
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In
einer Ausführungsform
sind die Kristallachsen des ersten und zweiten Prismas des Prismenpolarisators
parallel ausgerichtet. Beim Durchgang des Lichts durch den Prismenpolarisator
wirkt dieser in diesem Fall wie eine planparallele Platte, ohne
eine umlenkende Wirkung auf das Licht auszuüben.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung bestehen das erste und das zweite
Prisma aus positiv doppelbrechendem Material, dessen Kristallachsen
parallel zu einer Licht-Einfallsebene des Polarisationsteilerelements
orientiert sind. Durch diese Orientierung der Kristallachsen bleibt
die Polarisation des am Polarisationsteilerelement transmittierten
ordentlichen Strahls im nachfolgenden Prisma unverändert. Ähnliche
Vorteile sind erzielbar, wenn bei einer Weiterbildung der Erfindung
das erste und das zweite Prisma aus negativ doppelbrechendem Material
bestehen, dessen Kristallachsen senkrecht zu einer Licht-Einfallsebene
des Polarisationsteilerelements orientiert sind.
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In
einer Ausführungsform
des Prismenpolarisators liegt die Wellenlänge des Lichts im tiefen Ultraviolettbereich
(DUV) zwischen 100 nm und 300 nm, vorzugsweise zwischen 150 und
200 nm, insbesondere bei ca. 157 nm. Für eine Wellenlänge von
157 nm sind die Kristalle MgF2 oder SiO2 geeignete Prismenmaterialien, für größere Wellenlängen können auch
LaF3 oder Al2O3 als Materialien verwendet werden. Im Infrarotbereich ist
z.B. CdS verwendbar.
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Eine
erfindungsgemäße Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
mit einem Beleuchtungssystem und einem Projektionsobjektiv weist
mindestens einen Prismenpolarisator auf. Dieser kann in einem katadioptrischen
Projektionsobjektiv als physikalischer Strahlteiler vorgesehen sein.
Es kann sich insbesondere für eine
Einsatz des Projektionsobjektivs im tiefen Ultraviolett, z.B. bei
einer Wellenlänge
von 157 nm, als vorteilhaft erweisen, wenn das erste und das zweite
Prisma des Prismenpolarisators aus MgF2 oder
SiO2 bestehen. Ein derart ausgebildeter
Prismenpolarisator weist bezüglich
der Erhaltung des Polarisa tionsgrades praktisch keine störende Temperaturdrift
auf und ist für
eine Strahlung dieser Wellenlänge
transparent.
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Alternativ
oder zusätzlich
ist auch eine Anordnung des Prismenpolarisators in einem Objektiv
des Beleuchtungssystems der Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
möglich.
Der Prismenpolarisator kann zur Herstellung eines linearen Polarisationszustands
des vom Beleuchtungssystem in die Retikelebene eingestrahlten Lichts
verwendet werden.
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Um
trotz begrenzter Verfügbarkeit
von Materialien für
das Polarisationsteilerelement gegebenenfalls großflächige Polarisationsteilerelemente
realisieren zu können,
ist bei einer bevorzugten Ausführungsform
vorgesehen, dass das Polarisationsteilerelement durch eine Platte
gebildet ist, die aus mindestens zwei aneinander grenzenden Plattensegmenten
aufgebaut ist, die sich flächenhaft
aneinander grenzend zu einer größeren, mehrteiligen
Platte ergänzen.
Die Plattensegmente sind vorzugsweise gleichartig dick und planparallel.
Um zu vermeiden, dass in den Stoßbereichen zwischen Plattensegmenten
Lichtdurchlässe
entstehen, in denen keine polarisationsteilende Wirkung auftritt,
kann es günstig
sein, wenn die einzelnen Plattensegmente in dem zum Kontakt mit
einem benachbarten Plattensegment vorgesehenen Stoßbereich
schräg
zur Plattenfläche
geschnitten sind, so dass die Plattensegmente im Bereich der Stoßflächen sich
in Durchstrahlungsrichtung teilweise überlappen können. Auf diese Weise kann
sichergestellt werden, dass über
den gesamten Querschnitt eines Polarisationsteilerelementes eine
polarisationsteilende Wirkung erzielt wird. In Bezug auf die Schrägstellung
einer Polarisationsteilerplatte gegenüber der Durchstrahlungsrichtung
können
die Stoßflächen so
ausgerichtet sein, dass im Wesentlichen ein nahezu senkrechter Durchgang
der Strahlung durch die Stoßflächen erreicht
wird. So kann ein praktisch störungsfreier
optischer Durchgang realisiert werden.
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Bei
der Auswahl geeigneter Materialkombinationen für Prismen und Polarisationsteilerelemente
sollte darauf geachtet werden, dass eine Brechzahldifferenz zwischen
dem Prismenmaterial und dem Material des Polarisationsteilerelements
möglichst
klein ist. Idealerweise sollte diese Brechzahldifferenz gleich Null
sein. Üblicherweise
ist dies jedoch nicht erzielbar. In diesem Fall ist bevorzugt, wenn
die Brechzahl nP des Prismenmaterials größer ist
als die Brechzahl nT der Polarisationsteilerplatte,
da in diesem Fall das Polarisationsteilerelement steiler in den
Strahlengang eingebaut werden kann und dementsprechend kleiner ausgelegt
werden kann.
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In
einem Prismenpolarisator gibt es an verschiedenen Stellen Übergangsbereiche
zwischen einander zugewandten Grenzflächen benachbarter optischer
Elemente des Prismenpolarisators, beispielsweise zwischen einem
Prisma und einer benachbarten Platte, zwischen zwei benachbarten
Platten oder zwischen zwei benachbarten Prismen. Je nach Anwendungsfall
kann es möglich
sein, solche Materialkombinationen zu wählen, bei denen die thermischen
Ausdehnungskoeffizienten der aneinander grenzenden Materialien nahe
beieinander liegen. In diesen Fällen
ist eine optische Ankopplung der aneinander grenzenden optischen
Elemente mittels Ansprengen (contacting, wringing) oder Verkitten
in der Regel unproblematisch. Im allgemeinen ist jedoch mit einem
gewissen Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten der
benachbarten Materialien zu rechnen. Selbst wenn die Polarisationserhaltung
aufgrund der systemeigenen Doppelbrechung nicht gefährdet ist,
kann daraus eine Wellenfrontdeformation resultieren. Um diese Probleme
zu vermeiden, ist bei manchen Ausführungsformen vorgesehen, die
optische Ankopplung zwischen benachbarten optischen Elementen des
Prismenpolarisators über
eine dünne
Schicht eines Immersionsfluids oder im optischen Nahfeld mit Hilfe
evaneszenter Felder vorzusehen. Da in diesen Fällen die einander zugewandten
Grenzflächen
benachbarter optischer Elemente mechanisch weitgehend entkoppelt
sind, könne
Unterschiede in der Wärmeausdehnung
der Materialien zugelassen werden.
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Bei
einer Weiterbildung ist in mindestens einem Übergangsbereich zwischen einer
ersten Grenzfläche eines
ersten optischen Elementes des Prismenpolarisators und einer der
ersten Grenzfläche
zugewandten zweiten Grenzfläche
eines benachbarten zweiten optischen Elementes des Prismenpolarisators
ein Spalt mit einer endlichen Spaltbreite vorgesehen. Über den
in der Regel planparallel begrenzten Spalt kann Lichtenergie zwischen
den benachbarten optischen Elementen übertreten, ohne dass diese
im Übergangsbereich
in mechanischem Kontakt stehen.
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Bei
einer Ausführungsform
ist der Spalt mit einem Immersionsfluid, insbesondere mit einer
Immersionsflüssigkeit,
gefüllt,
so dass eine Immersionsschicht gebildet wird. Sofern die Immersionsschicht
zwischen einem Prisma und einer stark doppelbrechenden Platte vorgesehen
ist, sollte die Immersionsflüssigkeit
so gewählt
sein, dass ihre Brechzahl möglichst
nahe an der oberen Brechzahl der stark doppelbrechend Platte liegt. Dadurch
können
Auswirkungen auf den durchgelassenen Strahl bei Durchbiegung der
Platte minimiert werden. Eine Immersionsschicht kann zwischen einem
Prisma und einer benachbarten Platte, zwischen zwei benachbarten
Platten oder zwischen zwei benachbarten Prismen vorgesehen sein.
Typische Spaltbreiten bei der Verwendung von Immersionsfluiden liegen
im Bereich zwischen 50 μm
und 200 μm.
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Gemäß einer
anderen Weiterbildung hat der Spalt eine Spaltbreite, die eine Überkopplung
von Strahlungsenergie zwischen den benachbarten optischen Elementen,
d.h. zwischen der ersten Grenzfläche
und der zwei ten Grenzfläche, über ein
optisches Nahfeld erlaubt. Um einen guten Wirkungsgrad der Überkopplung
zu erlauben, sollte die Spaltbreite hierfür kleiner sein als die Arbeitswellenlänge des
Prismenpolarisators. Besonders günstig
sind Werte von weniger als 10%, insbesondere weniger als 3%, der
Arbeitswellenlänge λ. Die Überkopplung
von Strahlungsenergie zwischen benachbarten optischen Elementen
kann zwischen einem Prisma und einer benachbarten Platte, zwischen
zwei benachbarten Platten und/oder zwischen zwei benachbarten Prismen
vorgesehen sein.
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Kombinationen
von verkitteten oder angesprengten optischen Übergängen mit optischen Übergängen über eine
Immersionsschicht und/oder über
optisches Nahfeld sind möglich.
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Um
dauerhaft die gewünschte
Spaltbreite einzustellen, ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass
zwischen der ersten Grenzfläche
und der zweiten Grenzfläche
Abstandhalter zur Einstellung der Spaltbreite vorgesehen sind. Diese
sind vorzugsweise außerhalb
des optisch genutzten Bereiches des Prismenpolarisators angebracht,
so dass der Lichtdurchtritt nicht gestört wird. Die Abstandhalter
können
durch Folien, Fasern geeigneter Dicke oder andere weitgehend starre
Körper
gebildet sein, die zwischen die benachbarten optischen Elemente
eingelegt werden. Es ist auch möglich,
dass ein Abstandhalter durch mindestens eine stegförmige Beschichtung
gebildet wird, die auf die erste Grenzfläche und/oder auf die zweite
Grenzfläche
aufgebracht ist. Beispielsweise kann die für den Lichtdurchtritt vorgesehene
Fläche
durch einen Rahmen umschlossen sein, der durch einen ringförmigen Abstandhalter
gebildet ist, der durch ein Dünnschichtverfahren,
beispielsweise Aufdampfen, auf einer der einander gegenüber liegenden
Grenzflächen
aufgebracht wurde.
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Sofern
eine mechanische Entkopplung benachbarter optischer Elemente nicht
gewünscht
oder nicht praktikabel erscheint, können dennoch die negativen
Auswirkungen und Unterschiede der thermischen Ausdehnung benachbarter
optischer Elemente minimiert werden. Hierzu ist bei einer Weiterbildung
vorgesehen, dass das erste optische Element und das zweite optische
Element jeweils aus doppelbrechendem Material mit anisotroper thermischer
Ausdehnung bestehen und dass das erste und das zweite optische Element
derart zueinander ausgerichtet sind, dass Richtungen mit minimaler
thermischer Ausdehnung der benachbarten optischen Elemente im Wesentlichen
parallel zueinander verlaufen. In diesem Fall können die Auswirkungen von Ausdehnungsunterschieden
minimiert werden, auch wenn die optischen Elemente miteinander verkittet
oder aneinander angesprengt sind.
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Die
vorstehenden und weiteren Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch
aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen
Merkmale jedes für
sich alleine oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei
Ausführungsformen
der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte
sowie für
sich schutzfähige
Ausführungen
darstellen können.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Prismenpolarisators
mit einer Platte aus CaCO3 als Polarisationsteilerelement;
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2 zeigt
eine schematische Seitenansicht des Prismenpolarisators von 1 mit
einer zusätzlichen
Kompensationsplatte;
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3 zeigt
vier schematische Seitenansichten von Ausführungsformen eines Prismenpolarisators
mit Prismen aus positiv doppelbrechendem Material;
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4 zeigt
vier schematische Seitenansichten von Ausführungsformen eines Prismenpolarisators
mit Prismen aus negativ doppelbrechendem Material;
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5 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines katadioptrischen
Projektionsobjektivs und eines Beleuchtungssystems einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage
mit jeweils einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Prismenpolarisators;
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6 zeigt
verschiedene Ansichten eines Polarisationsteilers, bei dem das plattenförmige Polarisationsteilerelement
aus mehreren, aneinander angrenzenden Plattensegmenten aufgebaut
ist;
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7 zeigt
eine Detailansicht eines Stoßbereiches
zwischen benachbarten Plattensegmenten, die entlang von schrägen Stoßflächen aneinander
stoßen;
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8 zeigt
andere Ansichten von Plattensegmenten, die entlang schräger Stoßflächen aneinander stoßen;
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9 zeigt
eine Ausführungsform
eines Prismenpolarisators mit Polarisationsteilerplatte und dazu
paralleler Kompensationsplatte;
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10 zeigt
eine Ausführungsform
eines Prismenpolarisators, bei dem eine Polarisationsteilerplatte und
eine Kompensationsplatte unterschiedliche Winkel mit der Durchstrahlungsrichtung
einschließen;
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11 zeigt
eine Anwendung von Ausführungsformen
erfindungsgemäßer Prismenpolarisatoren
in einem Polarisator-Analysator-Paar
für eine
Messtechnik-Anwendung;
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12 zeigt
eine Ausführungsform
eines Prismenpolarisators, bei dem eine Polarisationsteilerplatte und
eine Kompensationsplatte gegenüber
der Durchstrahlungsrichtung in entgegengesetzte Richtungen verkippt
sind;
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13 zeigt
eine Ausführungsform
eines Prismenpolarisators, bei dem zwischen benachbarten Grenzflächen der
Prismen und der Polarisationsteilerplatte jeweils eine dünne Immersionsschicht
vorgesehen ist;
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14 zeigt
eine Ausführungsform
eines Prismenpolarisators, bei dem eine Überkopplung von Licht zwischen
Prismen und Polarisationsteilerplatte über ein optisches Nahfeld erfolgt;
und
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15 zeigt
eine Draufsicht auf eine Oberfläche
einer Polarisationsteilerplatte mit einem durch Bedampfen erzeugten,
ringförmigen
Abstandhalter.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines Prismenpolarisators 1 mit einer
dünnen
Platte 4 aus CaCO3 (Dicke ca. 100 μm) als Polarisationsteilerelement.
Das erste Prisma 2 und das zweite Prisma 3 des
Prismenpolarisators 1 bestehen aus einkristallinem Al2O3 und haben identische
Bauform. Das erste Prisma weist senkrecht zu einer viereckigen Grundfläche vier
ebene Seitenflächen 6, 7, 8, 9 auf.
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Zwei
gegenüberliegende
Seitenflächen 7, 9 sind
parallel ausgerichtet und eine dritte Seitenfläche 8 steht senkrecht
zu diesen beiden. Eine vierte Seitenfläche 6 schneidet die
zwei parallelen Seitenflächen 7, 9 unter
einem Winkel von ca. 26,5°.
Das zweite Prisma 3 ist gegenüber dem ersten Prisma 2 um
180° gedreht angeordnet,
so dass beide zusammen einen Quader bilden, wobei die vierte Seitenfläche 6 des
ersten Prismas und die entsprechende Seitenfläche des zweiten Prismas an
die beiden Seitenflächen
der Platte 4 angrenzen.
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Die
Einfallsebene des Lichtstrahls 10 ist parallel zu den Grundflächen der
Prismen 2, 3 ausgerichtet und der Strahl tritt
senkrecht zur Seitenfläche 8 in
den Prismenpolarisator 1 ein. Die im folgenden als Kristallachse
bezeichnete, kristallographische Hauptachse des einachsigen Al2O3 liegt ebenfalls
parallel zu dieser Ebene, was in 1 durch
einen Doppelpfeil symbolisiert ist. Der Lichtstrahl wird durch das
positiv doppelbrechende Al2O3 in
einen ordentlichen Strahl und einen außerordentlichen Strahl aufgespalten.
Die Brechzahldifferenz |ΔnP| dieses Materials ist aber so gering, dass
für viele
Anwendungen von einer einzigen Brechzahl nP ausgegangen
werden kann, wie oben bereits näher
ausgeführt.
Beträgt
die Wellenlänge
des Lichts ca. 546 nm, so liegt diese (mittlere) Brechzahl bei nP = 1,77078. Der Lichtstrahl trifft auf die
Lichteintrittsseite der Platte 4, die aus CaCO3 mit
Brechzahlen no = 1,6165 und ne =
1,48790 besteht und daher optisch dünner ist als das angrenzende
Prisma. Die Kristallachse des CaCO3-Kristalls
der Platte 4 liegt in der Plattenebene und liegt gleichzeitig
senkrecht zur Einfallsebene und damit senkrecht zur Schwingungsrichtung
des transmittierten polarisierten Lichtes. An der Grenzfläche zwischen
dem ersten Prisma 2 und der optisch dünneren Platte 4 wird der
parallel zur Einfallsebene polarisierte, ordentliche Teilstrahl 21 daher
transmittiert, während
der senkrecht zur Einfallsebene polarisierte, außerordentliche Teilstrahl 20 an
der Grenzfläche
totalreflektiert wird. Die Eintrittsfläche der Platte 6 wird
unter einem Winkel von ca. 63,5° im
Bezug zur Flä chennormalen
getroffen, so dass die Bedingung für Totalreflexion erfüllt ist.
Der parallel zur Einfallsebene polarisierte Teilstrahl 21 durchläuft die Platte 6 und
tritt dahinter in das zweite Prisma 3 ein, wobei er nur
unerheblich parallel versetzt wird. Die lineare Polarisation des
Teilstrahls wird vom Prismenmaterial nicht verändert, so dass der Teilstrahl
das Prisma vollständig
linear polarisiert und im wesentlichen ohne Strahlversatz verlässt.
-
Die
Aufrechterhaltung der linearen Polarisation im zweiten Prisma 3 hat
zwei Ursachen: Einerseits wird der Polarisationszustand des Lichts
nicht unkontrolliert durch Spannungsdoppelbrechung, wie sie insbesondere
durch Erwärmung
im Betrieb des Prismenpolarisators auftreten kann, beeinflusst,
da Al2O3 stark genug
doppelbrechend (Δn
(546 nm) = 0,0082) ist, damit sich solche Effekte praktisch nicht
auswirken können.
Der Kristalltensor der eingeprägten
Doppelbrechung lässt
sich weder in der Länge
noch in der Richtung durch äußere Einflüsse während des
Betriebs wesentlich beeinflussen. Andererseits ist die Kristallachse
des Al2O3-Kristalls des
zweiten Prismas 3 parallel zur Polarisationsrichtung ausgerichtet,
so dass der ordentliche Strahl keine Polarisationsveränderung
erfährt,
wie z.B. eine Umwandlung in elliptisch oder zirkular polarisiertes
Licht.
-
Der
in 1 gezeigte Prismenpolarisator ist in einem großen Wellenlängenbereich
einsetzbar, da die Brechzahldifferenz |Δn| von Kalkspat sowohl im UV-Bereich,
im sichtbaren Bereich wie auch im Infrarotbereich hinreichend groß ist, um
eine Polarisationsteilungswirkung zu erzielen. Für eine Wellenlänge von
200 nm (UV-Bereich) liegen die Brechzahlen von Kalkspat für den ordentlichen
Strahl bei no = 1.90284 und für den außerordentlichen
Strahl bei ne = 1.57649. Bei 589 nm (sichtbarer
Bereich) liegen diese bei no = 1.65835 und
ne = 1.48640. Im Infrarotbereich bei 1497
nm betragen sie schließlich
no = 1.63457 und ne =
1.47744. Für
größere Wellenlängen gibt
es einen Übergangsbe reich
vom negativ doppelbrechenden CaCO3 zu positiv
doppelbrechendem CaCO3, bei dem die Brechzahldifferenz
|Δn| nicht
mehr für
eine Polarisationsstrahlteilung ausreicht. Die beiden Prismen 2, 3 und
die Platte 4 können
mit optischem Kitt verbunden werden, vorteilhafter ist es aber, wenn
sie aneinander angesprengt werden.
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Für besonders
empfindliche Anwendungen können
die Partner in einem optischen Nahfeld aneinander gekoppelt sein.
Dazu wird ein endlicher Abstand der optischen Flächen z.B. auf einen Wert von
weniger als 10% der Arbeitswellenlänge λ eingestellt. Dies wird später noch
erläutert.
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2 zeigt
eine schematische Seitenansicht des Prismenpolarisators von 1 mit
einer zusätzlichen
Kompensationsplatte 5. Die Kompensationsplatte 5 ist
zwischen der Platte 4 und dem zweiten Prisma 3 angesprengt.
Die Kompensationsplatte 5 ist vorteilhaft, wenn der Prismenpolarisator
mit konvergentem oder divergentem Licht betrieben werden soll, da
sich der Strahlversatz, der durch die zweimalige Umlenkung an den
Grenzflächen
der Platte 4 durch den Brechzahlunterschied zwischen den
Prismen 2,3 und dem ordentlichen Strahl von CaCO3 erzeugt wird, in diesem Fall negativ auswirken
kann. Die Kompensationsplatte sollte eine ähnlich hohe Brechzahl haben
wie CaCO3 und besteht im vorliegenden Fall
aus optischem Glas, z.B. Schott SF57 mit einer Brechzahl nK = 1,85504. Die Dicke der Kompensationsplatte 5 ist
größer als
die Dicke der Platte 4 und liegt bei ca. 322 μm.
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3 und 4 zeigen
in vier Teilbildern jeweils vier schematische Seitenansichten von
Ausführungsformen
von Prismenpolarisatoren mit Prismen aus positiv (3)
bzw. negativ (4) doppelbrechendem Material.
Der Aufbau aller Prismenpolarisatoren ist identisch und wird am
obersten Teilbild beispielhaft für alle
acht Teilbilder der beiden Figuren beschrieben. Der Prismenpolarisator 100 weist
zwei identische Prismen 101, 102 auf, die eine
rechtwinklige, gleichseitige Dreiecksflä che als Grundfläche aufweisen
und die an den Hypotenusenflächen
aneinandergrenzen, so dass der gesamte Prismenpolarisator einen
Würfel
bildet. Bei den zur Verfügung
stehenden Brechzahlen von Prismen und Bedampfungsmaterialien werden
die Prismen unter Umständen
keine gleichseitigen Dreiecke mehr sein. Zwischen den beiden Hypotenusenflächen ist
eine als Polarisationsteilerelement dienende Polarisationsteilerschicht 103 angebracht,
die als ein Mehrschichten-System mit alternierenden Schichten realisiert
ist. Das Licht wird an dem Mehrschichten-System in einen reflektierten Teilstrahl 120 und
einen transmittierten Teilstrahl 121 aufgespalten. Der
transmittierte Teilstrahl 121 ist hierbei parallel zur
Einfallsebene auf die Polarisationsteilerschicht 103 polarisiert,
der reflektierte Teilstrahl 120 senkrecht zur Einfallsebene.
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Als
positiv doppelbrechendes Material dient bei dem in 3 gezeigten
Prismenpolarisator MgF2, als negativ doppelbrechendes
Material in 4 dient CaCO3.
Die jeweils vier Prismenpolarisatoren sowohl von 3 als
auch von 4 unterscheiden sich ausschließlich durch
Richtung der Kristallachsen des ersten und zweiten Prismas, welche
in jedem Fall senkrecht zur Lichteintrittsrichtung in den Prismenpolarisator 100 ausgerichtet
sind. Bei jedem Prisma 101, 102 können die
Kristallachsen senkrecht (s) oder parallel (p) zur Einfallsebene
ausgerichtet sein. Die sich daraus ergebenden Kombinationen s/s,
s/p, p/s, p/p für
die Orientierung der Kristallachse des ersten/zweiten Prismas 101, 102 sind
in den vier Teilbildern von 3 gezeigt.
Entsprechend sind in 4 die Kombinationen p/p, p/s,
s/p, s/s für
negativ doppelbrechendes Material gezeigt. Ein Durchtritt von Strahlung
durch die gezeigten Prismenpolarisatoren ohne Strahlversatz ist
nur bei den Kombinationen s/s oder p/p möglich, da hier an der Polarisationsteilerschicht 103 keine
Brechzahldifferenz zwischen erstem und zweitem Prisma 101, 102 auftritt.
Eine Erhaltung des linear polarisierten Charakters des Lichts in
den zweiten Prismen 102 von 3 ist bei
den Kombinationen möglich,
bei denen die Polarisationsrichtung im zweiten Prisma parallel zur
Kristallachse steht, also bei den Kombinationen p/s und s/s. Entsprechendes
gilt in 4 für eine senkrechte Ausrichtung
von Polarisationsrichtung und Kristallachse, d.h. für s/p und
p/p. Die Kombinationen s/s bei positiv doppelbrechenden Kristallen
und p/p bei negativ doppelbrechenden Kristallen, die in den untersten
Teilbildern gezeigt sind, vermeiden einerseits Strahlversatz und
andererseits die Zerstörung
der linearen Polarisation des transmittierten Teilstrahls. Prinzipiell
sind aber alle in 3 und 4 gezeigten Möglichkeiten
realisierbar und können
gegebenenfalls von Vorteil sein.
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5 zeigt
eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlage.
Diese weist ein katadioptrisches Projektionsobjektiv 200 mit
einem Prismenpolarisator 201 als physikalischem Polarisationsstrahlteiler
sowie ein Beleuchtungssystem 220 mit einem Prismenpolarisator 216 zur
Nachpolarisation auf.
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Das
Beleuchtungssystem 220 weitet einen von einem F2-Laser 213 (mit einer Arbeitswellenlänge von 157
nm) erzeugten, linear polarisierten Lichtstrahl in einem ersten
Teil 214 des Beleuchtungssystems auf, so dass dieser auf
einer Zwischenfeldebene 219 eine weitgehend homogene Lichtverteilung
mit einer variabel vorgebbaren Winkelverteilung der Strahlen erzeugt.
Ein nachfolgendes Abbildungsobjektiv 215 bildet die Zwischenfeldebene 219 auf
die Objektebene 202 des Projektionsobjektivs 200 ab.
Das Objektiv 215 weist einen Spiegel 217 zur Strahlumlenkung
sowie den Prismenpolarisator 216 zur Nachpolarisation auf.
Auf dem Lichtweg vom Laser 213 zum Prismenpolarisator 216 kann
die lineare Polarisation durch optische Elemente im Strahlengang
teilweise zerstört
werden. Der Prismenpolarisator 216 dient als Polarisationsfilter
zur Wiederherstellung des linear polarisierten Ausgangszustandes
des Lichts und besteht aus MgF2-Prismen
mit dazwi schenliegender Polarisationsteilerschicht (vgl. Erläuterung
im Zusammenhang mit 3).
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Das
Projektionsobjektiv 200 dient dazu, ein in der Objektebene 202 angeordnetes
Muster eines Retikels oder dergleichen in seine Bildebene 203 in
reduziertem Maßstab
abzubilden, beispielsweise im Verhältnis 4:1. Die Abbildung kann
ohne Zwischenbild oder mit mindestens einem reellen Zwischenbild
erfolgen.
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Das
für eine
Arbeitswellenlänge
von λ =
157 nm ausgelegte Projektionsobjektiv 200 hat zwischen
der Objektebene 202 und der Bildebene 203 einen
ersten, katadioptrischen Objektivteil 221 und dahinter
einen zweiten, rein dioptrischen Objektivteil, der in 5 nicht
näher bildlich
dargestellt ist. Der katadioptrische Objektivteil umfasst einen
physikalischen Strahlteiler 201, der als Prismenpolarisator
nach 3 ausgebildet ist, d.h. aus positiv doppelbrechendem
MgF2 besteht, sowie einen abbildenden Konkavspiegel
bzw. Hohlspiegel 205, vor dem eine λ/4-Platte 206 positioniert
ist. Die Kristallachsen im Prismenpolarisator sind für beide
Prismenhälften
gleich orientiert und liegen senkrecht zur Einfallsebene (also hier
senkrecht zur Zeichnungsebene). Zwischen der Objektebene 202 und
dem Prismenpolarisator 201, zwischen dem Prismenpolarisator 201 und dem
Konkavspiegel 205 sowie zwischen dem Konkavspiegel 205 und
der Bildebene 203 sind jeweils Linsengruppen angeordnet,
die in 5 durch gestrichelt gezeichnete Linsen angedeutet
sind. Der zweite Objektivteil hat einen zur optischen Achse geneigten
ebenen Umlenkspiegel 210, der es in Verbindung mit der
Reflexion an der Strahlteilerfläche 204 ermöglicht,
die in der Objektebene angeordnete Maske parallel zu einem in der
Bildebene 203 angeordneten lichtempfindlichen Substrat,
beispielsweise einem mit einer Fotoresistschicht beschichteten Halbleiterwafer,
auszurichten. Dadurch wird ein Scannerbetrieb von Maske und Wafer
erleichtert. Es sind auch Ausführungsformen
ohne Umlenkspiegel oder Varianten mit mehr als einem Umlenkspiegel möglich.
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Charakteristisch
für Projektionsobjektive
dieses Typs ist der Betrieb mit polarisiertem Ultraviolettlicht (linear
polarisiert in den jeweiligen Objektivbereichen), wobei der Polarisationszustand
an die Eigenschaften der Strahlteilerschicht 204 angepasst
ist. Die polarisationsselektive Strahlteilerschicht 204 soll
im wesentlichen eine Polarisationsrichtung durchlassen und die andere
blockieren. Die Rollen der Polarisationskomponenten (Komponenten
des elektrischen Feldvektors senkrecht bzw. parallel zur jeweiligen
Einfallsebene auf eine optische Komponente) vertauschen sich dabei
je nachdem, ob die Strahlteilerschicht 204 in Transmission
oder in Reflexion genutzt wird. Als Polarisationsteilerschicht 204 kann
ein Schichtsystem aus MgF2/LaF3 und MgF2/BaF2 dienen.
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Im
Betrieb des Projektionsobjektivs 200 wird linear polarisierte
Strahlung von der Objektebene 202 aus in das Projektionsobjektiv
eingestrahlt. Die Polarisationsrichtung dieser Strahlung steht senkrecht
zur Einfallsebene auf die Strahlteilerfläche 204 (s-Polarisation).
Sie trifft senkrecht auf eine Eintrittsfläche 207 eines ersten
Prismas 208, so dass eine Brechung an dieser Fläche weitgehend
vermieden wird. Im Inneren des Prismas 208 trifft die Strahlung
auf die Strahlteilerfläche 204,
an der sie um 90° in
Richtung auf den Konkavspiegel 205 umgelenkt wird. Das
Licht verlässt
den Prismenpolarisator 201, durchläuft die λ/4-Platte 206 ein erstes
Mal, läuft
von dort aus weiter zum Konkavspiegel 205, an dem sie reflektiert
wird, so dass sie die λ/4-Platte 206 ein zweites
Mal durchläuft.
Der zweimalige Durchtritt durch die λ/4-Platte 56 bewirkt
eine Phasenverschiebung von λ/2
des elektrischen Feldstärkevektors,
so dass dieser um 90° gedreht
wird und nun parallel zur Einfallsebene auf die Polarisationsteilerfläche 204 steht
(p-Polarisation). Nach erneutem senkrechten Durchtritt durch eine Seitenfläche 211 des
ersten Prismas 208 trifft die Strahlung auf die Polarisationsteilerfläche 205 und
wird aufgrund der Tatsache, dass sie nun p-polarisiert ist, von
dieser transmittiert und tritt in das zweite Prisma 209 des Prismenpolarisators
ein, den sie senkrecht zu einer Seitenfläche 212 verlässt. An
der Spiegelfläche 210 wird sie
ein zweites Mal unter einem Winkel von ca. 90° reflektiert und verläuft weiter
in Richtung auf die Bildebene 203.
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Durch
Wahl der Eintrittspolarisationsrichtung wird festgelegt, ob das
Prismenmaterial zuerst mit der isotropen Brechzahl no und
dann mit der anisotropen Brechzahl ne durchlaufen
wird oder umgekehrt. Die Wirkung der anisotropen Brechzahl ne solle in jedem Fall anschließend kompensiert
werden.
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Alle
Eintrittsflächen
und Austrittsflächen
der Linsen und des Polarisationstrahlteilers sind mit mehrlagigen,
dielektrischen Antireflex-Interferenzschichtsystemen (AR-Schichten)
belegt, um die Transmission des Objektivs zu verbessern. Die Spiegelflächen der
Spiegel 205, 210 sind mit hochreflektierenden
dielektrischen Reflex-Interferenzschichtsystemen (HR-Schichten)
belegt.
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Für gewöhnlich wird
der Prismenpolarisator in katadioptrischen Projektionsobjektiven
für 157
nm aus CaF2 gefertigt, welches eine intrinsische
Doppelbrechung aufweist, die bei 157 nm bei ca. –11 nm/cm liegt. Hierzu kommt,
dass durch zusätzliche,
unkontrollierbare spannungsinduzierte Doppelbrechung der lineare
Polarisationszustand des Lichts zerstört werden kann. Bei rotationssymmetrischen
Bauteilen ist durch geschicktes Kombinieren von Kristallorientierungen
und Linsenwegen eine Kompensationsmöglichkeit gegeben. Da der Prismenpolarisator
des Projektionsobjektivs unter Feldbelastung, d.h. bei hoher numerischer
Apertur des auftreffenden Lichts betrieben wird, sind die Kompensationsmöglichkeiten
bei dieser Anwendung eingeschränkt.
Ein Prismenpolarisator aus kubischem CaF2 zerstört daher
in der Regel selbsttätig
die Polarisation in den Prismen durch die intrinsische Doppelbrechung
(durch die notwendige Apertur). Die Verwendung von MgF2 oder
SiO2 als Prismenmaterial hat den Vorteil,
dass dieses so stark doppelbrechend ist, dass die Zerstörung eines
definierten Polarisationszustandes durch spannungsinduzierte, intrinsische
Doppelbrechung praktisch vermieden werden kann. Somit lässt sich
der in 5 gezeigte Prismenpolarisator sowohl bei Verspannungen
im Kristallmaterial unter hoher thermischer Belastung aufgrund hoher
Strahlintensitäten
als auch unter großen
Feldwinkeln betreiben, ohne dass eine Temperaturdrift auftritt.
Bei größeren Wellenlängen, beispielsweise
bei 193 nm, ist alternativ oder zusätzlich zu MgF2 oder
SiO2 als Material für den Prismenpolarisator auch LaF3 oder Al2O3 verwendbar.
-
Im
Folgenden werden weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Hinweise zur
praktischen Auslegung erfindungsgemäßer Prismenpolarisatoren angegeben.
In optischen Systemen für
Beleuchtungszwecke und auch für
Abbildungszwecke treten normalerweise in den optischen Materialien
thermisch induzierte Spannungen auf, die von Temperaturgefällen innerhalb
der optischen Bauelemente verursacht werden. Diese können besonders
innerhalb von Beleuchtungssystemen beträchtlich sein. Die maximale
Größe der induzierten Spannung
wird an der Bruchgrenze des verwendeten Materialien erreicht. Vorher
versagen meistens die optischen Kitte, sofern solche vorhanden sind.
Die Größenordnung
der induzierten Doppelbrechung kann von Bruchteilen einer Wellenlänge λ bis hin
zu wenigen λ oder
mehreren λ,
beispielsweise 10 λ oder
darüber
reichen. Bei Prismenpolarisatoren aus isotropen Materialien können jedoch
je nach Anforderungen schon induzierte Doppelbrechungen in der Größenordnung
von (1/100) λ oder
(1/1000) λ schädlich für den Polarisationsgrad
sein. Dies ist einer der Gründe,
warum sich glasartige Prismenmaterialien für höchste Polarisationsgrade nicht
durchsetzen, selbst wenn man Quarzglas mit äußerst geringer thermischer
Ausdehnung in der Größenordnung
von 0,5·10–6 m/K
einsetzt.
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Bei
besonders hohen Anforderungen kann eine optische Ankopplung über das
optische Nahfeld vorgesehen sein (siehe unten). Dabei können Prismen
und Platten aus Materialien mit deutlich unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten genutzt werden, ohne dass es zu Zwang zwischen
den Bauteilen kommt.
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Da
die natürlich
vorkommenden CaCO3-Kristalle in Ihrer Größe und Reinheit
begrenzt sind und das Polarisationsteilerelement bevorzugter Ausführungsformen
aus einer Platte dieses Materials besteht, kann es vorteilhaft sein,
wenn die Platte aus mindestens zwei aneinander grenzenden Plattensegmenten
aufgebaut ist, die sich flächenhaft
aneinandergrenzend, zu einer größeren, mehrteiligen
Platte ergänzen.
Die Plattensegmente sind vorzugsweise gleichartig dick und planparallel,
so dass durch diese eine planparallele, mehrteilige Platte mit der
Dicke eines Plattensegmentes und mehrfach größerer Flächenausdehnung geschaffen werden kann.
Die Aufteilung in Plattensegmente kann auch bei Platten vorgesehen
sein, die von einer planparallelen Form abweichen und beispielsweise
in Form dünner
Keilplatten vorliegen, die für
bestimmte Zwecke (z.B. im Bereich der Beleuchtung) ausreichend sein
können. 6(a) zeigt hierzu einen Schnitt durch
einen quaderförmigen
Prismenpolarisator 601 mit zwei Prismen 602, 603,
zwischen deren einander zugewandten Hypotenusenflächen eine
mehrteilig aufgebaute, dünne,
planparallele Platte 604 aus einkristallinem Kalkspat (CaCO3) liegt, die aus mehreren, direkt aneinander
grenzenden Plattensegmenten 604', 604'', 604''' besteht. Die
Draufsicht auf eine Hypotenusenseite in 6(b) zeigt,
dass die Platten in Breitenrichtung des Prismenpolarisators durchgehend
sind und nur die Längsrichtung
der Hypotenusenseite in drei unmittelbar aneinander grenzenden Plattensegmente
unterteilt ist.
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7 zeigt
in einer vergrößerten Detailansicht
im Schnitt den Stoßbereich
zwischen zwei aneinander grenzenden Plattensegmenten 704' und 704''. Dabei ist erkennbar, dass die
einzelnen Plattensegmente in dem zum Kontakt mit einem benachbarten
Plattensegment vorgesehenen Stoßbereich
schräg
zur Plattenfläche
geschnitten sind, so dass die Plattensegmente im Bereich der Stoßflächen in
einer Richtung senkrecht zur gemeinsamen Plattenfläche einander
teilweise überlappen.
Im Beispielsfall sind die komplementären Stoßflächen 705', 705'' senkrecht zur Durchstrahlungsrichtung
(Pfeilsymbole) ausgerichtet, so dass ein nahezu senkrechter Durchgang
der Strahlung durch die Stoßflächen erreicht
wird. Wird im Stoßbereich
zwischen den Stoßflächen 705', 705'' ein optischer Kitt verwendet,
so kann ein praktisch störungsfreier
optischer Durchgang realisiert werden, wenn die Brechzahl des Kitts
möglichst
exakt derjenigen der ordentlichen Brechzahl no des
stark doppelbrechenden Kristallmaterials entspricht, wobei für eine Brechzahldifferenz
vorzugsweise Δn ≤ 1·10–4 gilt. Durch
den nahezu senkrechten Durchgang durch die Stoßflächen werden die Störbereiche
A und B an den gegenüber
liegenden spitzen Kanten der Plattensegmente auf kleine Randbereiche
zurückgedrängt. Dies
ist insbesondere für
Prismenpolarisatoren mit einem größeren Winkeleinfangsbereich
vorteilhaft.
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Sind
die Ergänzungen
nicht nur in Längserstreckung
der Hypotenusenfläche,
sondern auch senkrecht dazu notwendig, dann sollten die Stoßflächen nicht
senkrecht zur Plattenebene liegen, sondern beispielsweise unter
45° oder
einem anderen geeigneten Schrägungswinkel
zu dieser Plattenfläche.
Dadurch wird erreicht, dass trotz der Segmentierung und der dadurch
entstehenden Stoßbereiche
praktisch kein unpolarisiertes Licht durch den Prismenpolarisator
gelangen kann. 8 zeigt hierzu beispielhaft
zwei Schnittdarstellungen mit einer Schnittlinie senkrecht zur langen
Hypotenusenrichtung bei einer Ausführungsform, bei der (im Gegensatz zur
Ausführungsform
gemäß 6(b)) die mehrteilige Polarisationsteilerplatte
auch quer zur Längsrichtung der
Hypotenusen seite unterteilt ist. In 8(a) ist
eine Variante gezeigt, bei der im Stoßbereich zwischen nebeneinander
liegenden Plattensegmenten optischer Kitt 810 eingefügt ist.
Bei der Ausführungsform
gemäß 8(b) stehen die nebeneinander liegenden
Plattensegmente 804, 804' im Bereich der schrägen Stoßflächen im
direktem optischen Kontakt.
-
Im
Rahmen der Erfindung sind unterschiedlichste Anwendungen und Materialkombinationen
von Polarisationsteilerelementen und Prismen möglich und haben spezifische
Vorteile. In Verbindung mit einer CaCO3-Platte als Polarisationsteilerelement
können
als Prismenmaterialien vor allem Aluminiumoxid (Al2O3) und Siliziumdioxid (SiO2)
verwendet werden. Siliziumdioxid ist aufgrund seiner Verfügbarkeit
und seines moderaten Preises ein vorteilhaftes Prismenmaterial.
Die polarisierende Wirkung findet stets auf der Lichteintrittsseite
der doppelbrechende Platte statt, auf der Austrittsseitige findet
allenfalls eine rückbrechende
Wirkung mit entsprechender Fresnellscher Wirkung statt. Die Wirkung
der Kompensationsplatte entspricht im übertragenen Sinne der Wirkung
einer schräg
gestellten Planparallelplatte in Luft oder eines schräg gestellten
Luftspaltes in Glas oder einem anderen transparenten Material. Für einen
parallelen Strahldurchgang wird eine Kompensationsplatte nicht benötigt, für einen
konvergenten oder divergenten Strahlengang erzeugt sie Astigmatismus-Überkorrektur
oder -Unterkorrektur, je nachdem, welche Wechselwirkung benötigt wird.
Die Kompensationsplatte wird bevorzugt aus einem leicht doppelbrechenden
Material gefertigt, so dass sie selbst keine depolarisierende Wirkung
entfalten kann. Besonders günstig
ist es hier, wenn die Brechzahldifferenz zwischen dem Prismenmaterial
und dem Material des Polarisationsteilerelementes möglichst
klein ist, idealerweise sollte die Brechzahldifferenz gleich Null
sein. Praktisch ist man jedoch auf die Brechzahlen verfügbarer Materialien
angewiesen, und die können
deutlich voneinander abweichen. Liegt eine Brechzahldifferenz zwischen
Prismenmaterial und Material der Polarisationsteilerplatte vor,
so ist es günstig,
die Material kombination so zu wählen, dass
die Brechzahl nP des Prismas größer als
die Brechzahl nT der aktiven Polarisationsteilerplatte
ist, da in diesem Fall das Polarisationsteilerelement weniger schräg in den
Strahlengang eingebaut werden muss und dementsprechend kleiner ausgelegt
werden kann.
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In 9 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines Prismenpolarisators 901 gezeigt, bei dem diese Überlegungen
berücksichtigt
sind. Das eintrittsseitige Prisma 902 und das austrittsseitige
Prisma 903 bestehen jeweils aus Al2O3. Das aktive Polarisationsteilerelement 904 ist
eine planparallele Platte aus CaCO3. Direkt
an diese angrenzend ist an ihrer Eintrittsseite eine planparallele
Kompensationsplatte 905 aus Pokelsglas (z.B. Schott SF57)
als Kompensationsplatte angebracht. Diese Ausführungsform ist für einen
geraden Lichtdurchtritt durch den Polarisator ausgelegt, bei dem
die Eintrittsstrahlung im Wesentlichen senkrecht auf die ebene Eintrittsfläche des
eintrittsseitigen Prismas 902 auftrifft. Das Pokelsglas
begrenzt allerdings den Transmissionsbereich auf ca. 380 nm bis
2300 nm.
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Für schrägen Durchtritt
von Licht sollte die Kompensation für unterschiedliche Winkel ausgeführt werden
und es bleibt ein unkompensierbarer Fehler übrig. Als Kompensationsmöglichkeiten
hierfür
bleiben (1) die Brechzahl der Kompensationsplatte, (2) die Dicke
der Kompensationsplatte und (3) der Winkel, den die Kompensationsplatte
mit der Durchstrahlungsrichtung einnimmt. Anhand 10 wird
beispielhaft dargestellt, dass die Kompensationsplatte nicht notwendigerweise
parallel zur Polarisationsteilerplatte ausgerichtet sein muss. In
diesem Fall besteht der insgesamt quaderförmige Prismenpolarisator 1001 aus
drei Prismen 1002, 1010 und 1003, die
jeweils einander zugewandte, parallele ebene Grenzflächen haben.
Zwischen den einander zugewandten Grenzflächen des ersten Prismas 1002 und
des zweiten Prismas 1010 ist die Kompensationsplatte 1005 in
einem relativ steilen Winkel von beispielsweise 25° zur Lichtrichtung
(Pfeil) ausgerichtet. Zwischen der Austrittsfläche des zweiten Prismas 1010 und
der Eintrittsfläche
des austrittsseitigen Prismas 1003 liegt die planparallele
Polarisationsteilerplatte 1004, die um ca. 60° gegenüber der
Lichtdurchtrittsrichtung angeschrägt ist. Vorzugsweise steht
die Kompensationsplatte auf derjenigen Seite der Polarisationsteilerplatte,
an der geringe Depolarisierungen nicht stören.
-
Für das in
10 gezeigte
Beispiel wird im Folgenden beispielhaft eine Dimensionierungsrechnung für die Wellenlänge λ = 546,071
nm durchgeführt.
Hierbei gelten folgende Brechzahlen:
-
Für die Grenzwinkel ε' der Totalreflexion
gilt:
-
Hier
ist ε' der Winkel eines
Strahls zum Lot auf die Ein- oder Austrittsfläche. Der Prismenwinkel wird zur
Prismenmantelfläche
angegeben und ist daher 90° – ε'. Ein gewählter Prismenwinkel
von 26,5° ergibt
für den
in 10 gezeigten Schnitt einen Winkelbereich des Prismenpolarisators
in Luft von etwa ±11 °.
-
Im
Folgenden wird eine Berechnung der Dicke der Kompensationsplatte
optimiert für
0° Durchgang des
Polarisators in Luft angegeben. Hierfür werden die obigen Brechzahlen
der Polarisationsteilerplatte (n = 1,66165) und der Kompensationsplatte
(n = 1,85504) zugrunde gelegt. Das Optimierungsziel ist es, einen Strahlversatz
zwischen Eintrittsstrahl und Austrittsstrahl zu vermeiden. Der Strahlversatz
ergibt sich aus der Summe des an der Polarisationsteilerplatte auftretenden
Strahlversatzes Δ
T und des an der Kompensationsplatte auftretenden
Strahlversatzes Δ
K gemäß Δ = Δ
T + Δ
K.
Hierbei gelten folgende Beziehungen:
-
In
diesen Gleichungen bezeichnet ε' den Winkel zum Lot,
d.h. zur Flächennormalen
(hier 63,5°),
n1 die ordentliche Brechzahl no von
Al2O3, n2 die ordentliche Brechzahl von CaCO3 und n3 die Brechzahl
n von SF57. Als Dicke dT der Polarisationsteilerplatte
wird 1 mm angesetzt. Gesucht ist die Dicke dK der
Kompensationsplatte aus SF57. Bei dP = 1
mm für
die Polarisationsteilerplatte ergibt sich ein Strahlversatz ΔP =
-0,5201 mm. Ein kompensierender Strahlversatz ΔK =
+0,5201 mm für
die Kompensationsplatte wird mit einer Dicke dK = 3,218
mm erreicht. Daher wird ein Strahlversatz vermieden, wenn die Kompensationsplatte
aus dem Pokelglas SF57 eine Dicke von 3,218 mm hat.
-
Zu
beachten ist ebenso, dass das bezüglich des Lichtdurchtrittes
vor der Polarisationsteilerplatte liegende Prisma aus einem brechzahlangepassten
Glas oder aus einem isotropen Kristall bestehen kann. Entscheidend
für die
perfekte Polarisierung und den erreichten Polarisierungsgrad ist
vor allem eine defektfreie Polarisationsteilerplatte, die beispielsweise
aus Kalkspat (CaCO3) oder Natriumnitrat
(NaNO3) bestehen kann, sowie ein defektfreies,
leicht doppelbrechendes austrittsseitiges Prisma. Eine reine Ansprengung
(wringing) ist hier einer Kittung unter anderem deshalb vorzuziehen,
weil sich ein höherer
Polarisationsgrad erreichen lässt, weil
Spannungen im Kitt vermeidbar sind und weil eine Ansprengung eine
bessere Durchlässigkeit
vom Ultraviolettbereich bis zum Infrarotbereich zeigt. Für besonders
hohe Ansprüche
wird ein Gegenüberstellen
der Bauteile im optischen Nahfeld durchgeführt, wobei der Abstand zwischen
den optischen Flächen
vorzugsweise auf Werte > λ/10 eingestellt
wird.
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In 11 ist
beispielhaft eine Anwendung gezeigt, bei der zwei Ausführungsformen
erfindungsgemäßer Prismenpolarisatoren
in Form eines Polarisator-Analysator-Paares 1100 kombiniert
sind. Es besteht aus zwei identisch aufgebauten Prismenpolarisatoren 1110, 1120,
die bezogen auf die Lichteinfallsruchtung 1130 hintereinander
angeordnet und relativ zueinander verdreht sind. Der eintrittsseitige
Polarisator hat auf der Eintrittsseite ein Prisma 1112 aus
stark doppelbrechendem Material, beispielsweise Glas, und austrittsseitig
ein Prisma 1113 aus einem gering doppelbrechendem Kristallmaterial.
Zwischen den einander zugewandten Hypotenusenflächen dieser Prismen ist die
Polarisationsteilerplatte 1114 so angeordnet, dass die
Plattennormale 1119 mit der Lichteintrittsrichtung 1130 eine
Einfallsebene aufspannt, die parallel zu den in der Zeichnung vorne
und hinten liegenden Seitenflächen
des Prismas ausgerichtet ist. Der Analysator 1120 ist zwar
gleich aufgebaut, jedoch anders orientiert. Hier liegt das aus gering
doppelbrechendem Kristallmaterial bestehende Prisma 1123 an
der Eintrittsseite, während
das Prisma 1122 aus stark doppelbrechendem Material (z.B.
Glas) auf der Austrittsseite liegt. Das plattenförmige Polarisationsteilerelement 1124 ist
gegenüber
der Polarisationsteilerplatte 1114 des Polarisators 1110
um 90° um
die Lichtdurchtrittsrichtung verdreht, so dass die Plattennormale 1129 mit
der Lichtdurchtrittsrichtung eine Einfallsebene aufspannt, die senkrecht
zu den in der Zeichnungsfigur vorne und hinten liegenden Seitenflächen des
Prismenpolarisators liegt. Die Funktion solcher Polarisator-Analysator-Paare
als solche ist bekannt und wird daher hier nicht näher beschrieben.
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In 12 ist
schematisch eine Ausführungsform
eines Prismenpolarisators 1200 gezeigt, der für besonders
hohe Ansprüche
bezüglich
Strahlqualität
für geöffnete Büschel (d.h.
konvergentes oder divergentes Eintrittslicht) ausgelegt ist. Der
Prismenpolarisator hat ein mehrteilig aufgebautes eintrittsseitiges
Prisma, das aus einem vorderen Prismenelement 1202 und
einem hinteren Prismenelement 1202' besteht, zwischen denen eine schräg zur Durchstrahlungsrichtung 1230 ausgerichtet
Kompensationsplatte 1205 angeordnet ist. Zwischen einer
schrägen
Austrittsfläche
des eintrittsseitigen Prismas 1202, 1202' und dem austrittsseitigen Prisma 1203 ist
die aktive Polarisationsteilerplatte 1204, also das plattenförmige Polarisationsteilerelement, ebenfalls
schräg
zur Durchstrahlungsrichtung angeordnet. Eine Besonderheit dieses
Aufbaus besteht darin, dass die Kompensationsplatte 1205 entgegen
der Winkellage des Polarisationsteilerelementes 1204 gegenüber der
Durchstrahlungsrichtung gekippt ist. Mit anderen Worten: bezogen
auf eine senkrecht zur Durchstrahlungsrichtung 1230 ausgerichtete
Ebene sind die Kompensationsplatte und die Polarisationsteilerplatte
in unterschiedliche Richtungen verkippt. Bei hinreichender Brechzahlanpassung
und Richtungsanpassung (Anpassung der Plattenwinkel gegenüber der
Durchstrahlungsrichtung) kann in der Einfallsebene des durchtretenden Lichtes
(parallel zur Zeichenebene) eine vollständige Bildfehlerkompensation
erreicht werden.
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Als
Material für
das eintrittsseitige Prisma 1202, 1202' kann als leicht
doppelbrechendes Material beispielsweise Al2O3 oder das Glas SF55 sowie SiO2 oder
das Glas BAK2 verwendet werden. Als leicht doppelbrechendes Prismenmaterial
für das
austrittsseitige Prisma 1203 sind ebenfalls beispielsweise
Al2O3 oder SiO2 verwendbar. Die Kompensationsplatte 1205 kann
beispielsweise aus BaSF56 oder SK5 bestehen, das Polarisationsteilerelement 1204 insbesondere
aus CaCO3 oder NaNO3.
Für eine
Arbeitswellenlänge λ = 546,071
nm ergeben sich für
diese Materialien folgende Brechzahlen: nBAK2 =
1,54212, nSF55 = 1,76847, nBASF56 =
1,66139 und nSK5 = 1,59142. Das Material
BAK2 ist bevorzugt, wenn das Prisma aus SiO2 besteht,
das Material SF55 ist bevorzugt, wenn das Prisma aus Al2O3 besteht, das Material BaSF56 ist bevorzugt,
wenn das Polarisationsteilerelement aus CaCO3 besteht
und das Material SK5 ist bevorzugt, wenn das Polarisationsteilerelement
aus NaNO3 besteht.
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Für die gleiche
Wellenlänge
(λ = 546,071
nm) gelten für
die hier betrachteten doppelbrechenden Materialien folgende Brechzahlen:
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Hieraus
ergeben sich folgende geeignete Paarungen für Prismenmaterial und Polarisationsteilerplatte für den Wellenlängenbereich
des sichtbaren Lichtes und des angrenzenden UV-Bereiches.
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Hieraus
ergibt sich eine besonders gute Anpassung dann, wenn das Prisma
aus SiO2 und das Polarisationsteilerelement
aus NaNO3 besteht. Es sei noch erwähnt, dass
je nach Spektralbereich aufgrund der Dispersion die relativen Verhältnisse
geeigneter Paare variieren können,
so dass sich für
andere Designwellenlängen
andere Materialpaarungen als die günstigsten herausstellen können.
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Wie
schon oben erwähnt,
kann als Material für
die Prismen auch das doppelbrechende Magnesiumfluorid (MgF2) verwendet werden. Das Hauptanwendungsgebiet
für Magnesiumfluorid
kann das tiefe Ultraviolett (DUV) sein, da Magnesiumfluorid bis
hinunter zu ca. 115 nm gute Transmission zeigt. Schon ab 157 nm und
erst recht bei 193 nm kann man auf das deutlich billigere SiO2 mit höherer
Brechzahl zurückgreifen,
dies ergibt dann einen kürzeren
Prismenaufbau. SiO2 kann für Prismenpolarisatoren
im Spektralbereich von ca. 160 nm bis ca. 4 μm eingesetzt werden. Ist eine
noch höhere
Brechzahl für
das Prismenmaterial gewünscht,
so kann auf Al2O3 oder
LaF3 zurückgegriffen
werden, die schon bei 193 nm ausreichend transparent sind. Im Infrarotbereich
reicht das doppelbrechende Kristallmaterial Lanthanfluorid (LaF2) weiter als Al2O3. Sein Transmissionsbereich reicht bis ca.
9 μm (Al2O3 nur bis ca. 4,5 μm). Noch
weiter in das Infrarote reicht der doppelbrechende Kristall Kadmiumsulfit
(CdS), dessen Transmissionsbereich von ca. 500 nm bis ca. 15 μm reicht.
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Sofern
Magnesiumfluorid als Prismenmaterial verwendet werden soll, so ist
zu beachten, dass hierfür keine
geeigneten Festkörpermaterialien
für die
Herstellung des Polarisationsteilerelements zur Verfügung stehen.
In Verbindung mit Magnesiumfluorid-Prismen werden bei bevorzugten
Ausführungsformen
daher Polarisationsteilerelemente verwendet, die durch Schichtpakete
von dünnen,
dielektrischen Schichten gebildet werden. Dabei handelt es sich
jeweils um dielektrische Schichtpakete, bei denen abwechselnd Einzelschichten aus
einem hochbrechenden dielektrischen Material und einem relativ dazu
niedrigbrechenden dielektrischen Material übereinander geschichtet werden.
Die dielektrischen Wechselschichtsysteme sind vorzugsweise als λ/4-Schichtsysteme
ausgelegt, d.h. als Schichtsysteme, bei denen die optischen Schichtdicken
der übereinander
liegenden Einzelschichten jeweils im Wesentlichen einem Viertel
der Designwellenlänge
entspricht. Im tiefen Ultraviolettbereich (DUV) wird innerhalb eines
Wechselschichtsystems vorzugsweise Magnesiumfluorid als niedrigbrechendes
Material und Lanthanfluorid, Bariumfluorid oder Saphir als hochbrechendes
dielektrisches Material verwendet. Im nahen Ultraviolettbereich
werden für
die Kombination mit Magnesiumfluorid als niedrigbrechendes Material
vor allem Hafniumdioxid oder Zirkondioxid verwendet. Im sichtbaren
Spektralbereich (VIS) werden bevorzugt Magnesiumfluorid oder Chiolith
als niedrigbrechendes Material und Zinksulfit oder Titandioxid als
relativ dazu hochbrechendes Material verwendet. Im Infrarotbereich
(IR) kann insbesondere Thoriumfluorid (ThF4)
als niedrigbrechendes und Zinkselenid als hochbrechendes Material
verwendet werden.
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Die
folgende Tabelle gibt für
eine Designwellenlänge
von λ =
589 nm verschiedene geeignete niedrigbrechende bzw. hochbrechende
dielektrische Materialien und deren Brechzahl an.
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Im
Folgenden werden einige Ausführungsformen
beschrieben, bei denen die optische Ankopplung zwischen benachbarten
optischen Elementen des Prismenpolarisators über eine Immersionsflüssigkeit
bzw. ein optisches Nahfeld erfolgt. Solche Lösungen sind insbesondere dann
vorteilhaft, wenn die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der benachbarten
optischen Elemente (Prismen und/oder Platten) stark unterschiedlich sind
und/oder wenn sehr hohe Anforderungen an die Konstanz der optischen
Eigenschaften des Prismenpolarisators bei wechselnden Temperaturen
gestellt werden.
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13 zeigt
eine Ausführungsform
eines Prismenpolarisators 1300, bei dem das eintrittsseitige
Prisma 1301 und das austrittsseitige Prisma 1302 jeweils
aus Lanthanfluorid (LaF3) bestehen. Die
als Polarisationsteilerelement dienende, schräg im Strahlengang stehende
planparallele Platte 1304 besteht aus Kalkspat (CaCO3). Zwischen der austrittsseitigen Hypotenusefläche des
eintrittsseitigen Prismas 1301 und der eintrittsseitigen
Planfläche
der Planplatte 1304 existiert ein Spalt 1320 gleichmäßiger Spaltbreite.
Desgleichen existiert zwischen der austrittsseitigen Planfläche der
Platte 1304 und der eintrittsseitigen Hypotenusefläche des austrittsseitigen
Prismas 1302 ein gleichförmig dicker Spalt 1330,
so dass die jeweils an die Spalte angrenzenden Grenzflächen der
optischen Elemente nicht in mechanischem Kontakt stehen. Die Spaltbreite,
die im Beispielsfall in der Größenordnung
von ca. 50 μm
bis 200 μm
liegt, wird durch Abstandhalter 1310 gewährleistet, die
außerhalb
des optisch genutzten Bereiches des Prismenpolarisators zwischen
der einander zugewandten Grenzflächen
der optischen Elemente eingefügt
sind. Die Abstandhalter werden durch dünne Fasern geeigneter Dicke
gebildet. Die Spalten 1320, 1330 sind jeweils
mit einer Immersionsflüssigkeit
z.B. Perhydrofluoren gefüllt,
deren Brechungsindex möglichst
an die obere Brechzahl der stark doppelbrechenden Kalkspat-Platte 1304 angepasst
ist. Durch die Immersionsschichten findet ein verlustarmer Durchtritt
von Strahlung statt. Gleichzeitig erlaubt die Anordnung, dass der
Prismenpolarisator 1300 bei unterschiedlichen Temperaturen
betrieben wird, ohne dass es durch die Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten
des Plattenmaterials und des Prismenmaterials zu mechanischen Spannungen
im Bereich der Grenzflächen
kommt. Dadurch werden thermisch bedingte Wellenfrontdeformationen
vermieden.
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Bei
der Ausführungsform
eines Prismenpolarisators 1400 in 14 findet
die Überkopplung
von Licht zwischen dem eintrittsseitigen Prisma 1401 und
der Polarisationsteilerplatte 1404 sowie zwischen dieser
Platte und dem austrittsseitigen Prisma 1402 im optischen
Nahfeld statt. Hierzu existieren zwischen der austrittsseitigen
Hypotenusenfläche
des eintrittsseitigen Prismas 1401 und der Platte 1404 sowie
zwischen der ebenen Austrittsseite der Platte und der eintrittsseitigen
Hypotenusenfläche
des austrittsseitigen Prismas 1402 dünne, gasgefüllte Spalte 1420, 1430,
deren gleichmäßige Spaltbreite
weniger als 10% der Arbeitswellenlänge des Prismenpolarisators
beträgt.
Im Beispielsfall eines für
sichtbares Licht ausgelegten Prismenpolarisators, bei dem die Prismen 1401 und 1402 aus
Lanthanfluorid und die Platte 1404 aus CaCO3 bestehen,
beträgt
die Spaltbreite weniger als ca. 30 nm.
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Als
Abstandhalter 1410 zur Aufrechterhaltung dieses sehr geringen
Abstandes sind stegförmige
Beschichtungen vorgesehen, die jeweils in Form eines umlaufenden,
rechteckförmigen
Ringes am Rande der Hypotenusenflächen der Prismen 1401, 1402 durch
Aufdampfen aufgebracht wurden (vgl. 15). Zwischen
die durch Bedampfen erzeugten Abstandhalterringe wird die Platte 1404 beim
Zusammenbau des Prismenpolarisators eingefügt. Die beim Zusammenbau aufeinander
gedrückten
optischen Elemente 1401, 1404, 1402 des Prismenpolarisators
sind innerhalb einer metallischen oder keramischen Fassungsanordnung 1420 angeordnet,
die an einer Seite Federelemente 1421 hat, die ein axiales
Zusammenpressen der optischen Elemente im eingebauten Zustand mit
einer durch die Federkraft vorgebbaren Kraft bewirken.
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Alternativ
oder zusätzlich
zu einer Beschichtung oder den in 13 gezeigten
Fasern können
auch Abstandsfolien oder dergleichen zur Einstellung der gewünschten
Spaltbreite genutzt werden. Die Abstandhalterbeschichtung kann selbstverständlich auch
an einer oder beiden Grenzflächen
einer zwischen Prismen gehaltenen Platte durch Bedampfen oder dergleichen
aufgebracht sein, wie es in 15 für den durch
Beschichtung erzeugten Abstandhalterring 1510 auf der Platte 1504 gezeigt
ist.
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Auch
bei der hier beispielhaft erläuterten
Ankopplung über
das optische Nahfeld können
für die
Prismen und die Platte Materialien mit stark unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden, ohne dass dies im Betrieb
des Prismenpolarisators bei Temperaturänderungen zum Aufbau von die optische
Funktion störenden
Spannungen führt.
Durch diese Maßnahme
ist das Spektrum verfügbarer
Materialien zum Aufbau erfindungsgemäßer Prismenpolarisatoren erheblich
erweitert. Selbstverständlich
können die
Immersionsflüssigkeit
oder Gas gefüllte
Spalten auch zwischen aneinander grenzenden Plattenelementen (vgl. 9)
oder zwischen direkt benachbarten Grenzflächen von Prismen ohne zwischengeschaltete
Platte (vgl. 3–5) vorgesehen
sein.