DE102007062198A1

DE102007062198A1 - Catoptric lens i.e. four mirror lens, for imaging scan line, in laser scanning microscope, has mirror group displaying linear object field in meridional plane in intermediate image, and another group displaying intermediate image

Info

Publication number: DE102007062198A1
Application number: DE102007062198A
Authority: DE
Inventors: Marco Dr. Pretorius
Original assignee: Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-06-25

Abstract

The lens has a mirror group, which displays a linear object field of a linear object (10) in a meridional plane in an intermediate image. Another mirror group displays intermediate image in an image field, and the mirror group comprises a mirror i.e. free-form mirror. The lens comprises a distortion in an image plane, and a free-form surface i.e. spline surface is formed by a polynomial development. The lens has an image-sided numerical aperture in a sagittal plane.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft ein katoptrisches Objektiv zur Abbildung eines im Wesentlichen linienförmigen Objektes.The The invention relates to a catoptric lens for imaging a essentially linear object.

Stand der TechnikState of the art

Katoptrische Objektive, d. h. rein reflektiv aufgebaute abbildende Systeme sind aus einer Vielzahl von Anmeldungen, insbesondere für Verwendung in Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlagen bekannt geworden.catoptric Lenses, d. H. purely reflective designed imaging systems are from a variety of applications, especially for use become known in microlithography projection exposure equipment.

Beispielsweise zeigt die DE 10 2006 043 251 ein Mikrolithographie-Projektionsobjektiv, insbesondere für die EUV-Lithographie zur Abbildung eines Objektes in einer Objektebene in ein Bild in eine Bildebene. Das abzubildende Objekt ist ein ausgedehntes Feld in einer Feldebene, das in eine Bildebene abgebildet wird. Das Objektiv gemäß der DE 10 2006 043 251 weist wenigstens einen Spiegel auf, der als eine Freiformfläche in Form einer Splinefläche ausgebildet ist.For example, the shows DE 10 2006 043 251 a microlithography projection objective, in particular for EUV lithography, for imaging an object in an object plane into an image into an image plane. The object to be imaged is an extended field in a field plane, which is imaged into an image plane. The lens according to the DE 10 2006 043 251 has at least one mirror, which is designed as a freeform surface in the form of a spline surface.

Weitere Projektionsobjektive für die Mikrolithographie mit Freiformflächen zeigen die Anmeldungen WO 2007/031271 , WO 2007/115596 und WO 2007/115597 . Bei den in diesen Schriften gezeigten Objektiven handelt es sich ebenfalls um Projektionsobjektive für Mikrolithographie-Projektionsbelichtungsanlagen. Die Freiformflächen bei diesen Systemen werden im wesentlichen durch nicht rotationssymmetrische Flächen beschrieben, die sich durch eine Polynomentwicklung aus der an einem Punkt bestangepassten rotationssymmetrischen Fläche ergibt. Bei den in diesen Schriften gezeigten Systemen handelt es sich entweder um 4-Spiegel-Systeme, die kein Zwischenbild aufweisen, wie bei den Systemen gemäß der DE 10 2006 0 43 251 oder um 6- Spiegel Systeme, die einen höheren Lichtverlust gegenüber den 4-Spiegel Systemen aufweisen. Der Offenbarungsgehalt sämtlicher zuvor genannter Schriften DE 10 2006 043 251 , WO 2007/031271 , WO 2007/115596 , WO 2007/115597 wird in die vorliegende Anmeldung mit aufgenommen.Further projection objectives for microlithography with free-form surfaces show the applications WO 2007/031271 . WO 2007/115596 and WO 2007/115597 , The lenses shown in these documents are also projection lenses for microlithography projection exposure equipment. The free-form surfaces in these systems are essentially described by non-rotationally symmetric surfaces, which results from a polynomial winding of the rotationally symmetrical surface best fit at one point. The systems shown in these documents are either 4-mirror systems which do not have an intermediate image, as in the systems according to the DE 10 2006 0 43 251 or to 6-mirror systems, which have a higher light loss compared to the 4-mirror systems. The disclosure of all the aforementioned writings DE 10 2006 043 251 . WO 2007/031271 . WO 2007/115596 . WO 2007/115597 is included in the present application.

Die oben genannten Objektiven gemäß der DE 10 2006 043 251 , der WO 2007/031271 , der WO 2007/115596 , der WO 2007/115597 ist sind nicht für die Abbildung eines linienförmigen Objektes mit wenigen Spiegeln und einer hohen numerischen Apertur größer als 0,3, bevorzugt größer als 0,4, insbesondere größer als 0,5 zumindest in einer Ebene am Ort des Bildes ausgebildet. Des Weiteren ist das Objektiv gemäß der DE 10 2006 043 251 , WO 2007/031271 , WO 2007/115596 , WO 2007/115597 für Wellenlängen im EUV-Bereich, d. h. von 10 bis 30 nm ausgelegt. Auch erlauben die 4-Spiegel-Projektionsobjektives aus der DE 10 2006 043 251 A1 und der WO 2007/031271 ist keine konfokale oder teilkonfokale Abbildung des Objektes, die eine Tiefenschärfenauflösung ermöglichen würde.The above lenses according to the DE 10 2006 043 251 , of the WO 2007/031271 , of the WO 2007/115596 , of the WO 2007/115597 is not designed for imaging a linear object with few mirrors and a high numerical aperture greater than 0.3, preferably greater than 0.4, in particular greater than 0.5 at least in one plane at the location of the image. Furthermore, the lens according to the DE 10 2006 043 251 . WO 2007/031271 . WO 2007/115596 . WO 2007/115597 designed for wavelengths in the EUV range, ie from 10 to 30 nm. Also allow the 4-mirror projection lenses from the DE 10 2006 043 251 A1 and the WO 2007/031271 is not a confocal or partially confocal image of the object that would allow depth of field resolution.

Katoptrische Objektive für mikroskopische Anwendungen, beispielsweise für die Röntgenmikroskopie sind beispielsweise aus der WO 03/096356 bekannt geworden. Das aus der WO 03/096356 bekannte katoptrische Objektiv wird bevorzugt bei Wafer-Inspektionssystemen eingesetzt und ist für Wellenlängen im Bereich 10 bis 30 nm optimiert. Des Weiteren sind sämtliche Spiegelflächen als rotationssymmetrische Flächen ausgestaltet. Das Objekt, das auf in eine Zwischenbildebene mit Hilfe des erfindungsgemäßen Systems abgebildet wird, ist dezentriert zur optischen Achse angeordnet, ebenso die Aperturblende.Katoptrische lenses for microscopic applications, for example, for X-ray microscopy, for example, from WO 03/096356 known. That from the WO 03/096356 known catoptric lens is preferably used in wafer inspection systems and is optimized for wavelengths in the range 10 to 30 nm. Furthermore, all mirror surfaces are designed as rotationally symmetrical surfaces. The object which is imaged onto an intermediate image plane with the aid of the system according to the invention is arranged decentered to the optical axis, as is the aperture diaphragm.

Objektive, wie sie in zeilenweise scannenden Abbildungssystemen wie beispielsweise einem Laser-Scanmikroskop wie in der DE 102 004 03 4993 dargestellt, eingesetzt werden, sind bislang vollständig als refraktive Linsensysteme ausgeführt. Die in dem Laser-Scanmikroskop gemäß der DE 102 004 03 4993 beschriebenen refraktiven Objektive bilden eine Scanzeile, also ein im Wesentlichen linienförmiges Objekt mit einem Aspektverhältnis bevorzugt größer als 1:50, insbesondere größer als 1:100 bei einem vorgegebenen Abbildungsmaßstab beugungsbegrenzt und nahezu verzeichnungsfrei auf eine Detektorzeile ab. Unter Aspektverhältnis wird in dieser Anmeldung das Verhältnis der Länge zur Breite des abzubildenden linienförmigen Objektes bezeichnet.Lenses, as in line scanning imaging systems such as a laser scanning microscope as in DE 102 004 03 4993 used, are so far completely implemented as refractive lens systems. In the laser scanning microscope according to the DE 102 004 03 4993 described refractive lenses form a scan line, ie a substantially line-shaped object with an aspect ratio preferably greater than 1:50, in particular greater than 1: 100 diffraction-limited at a given magnification and almost no distortion on a detector line. Aspect ratio in this application refers to the ratio of the length to the width of the linear object to be imaged.

Um mit Hilfe einer variablen Spaltblende durch Variation der Spaltbreite eine Variation der Schärfentiefe der gesamten Abbildung und damit eine variable Tiefendiskriminierung im Objektraum zu erreichen, schlägt die als Detektionsoptik eingesetzte refraktive Optik in der DE 10 2004 034 993 vor, dass ein Zwischenbild wenigstens in einer Ebene ausgebildet wird, so dass an diesem Ort eine Blende, beispielsweise eine Spaltblende angeordnet werden kann. Die Spaltblende fungiert dann in einer Richtung senkrecht zur Ausdehnung des Spaltes als Pinhole.In order to achieve a variation of the depth of field of the entire image by means of a variable slit diaphragm by varying the slit width and thus a variable depth discrimination in the object space, the refractive optics used as detection optics in the DE 10 2004 034 993 in that an intermediate image is formed at least in one plane, so that a diaphragm, for example a slit diaphragm, can be arranged at this location. The slit diaphragm then acts in a direction perpendicular to the extension of the gap as a pinhole.

Gemäß der DE 10 2004 034 993 besteht die refraktive Detektionsoptik aus zwei refraktiven anamorphtischen Abbildungsgruppen, die bevorzugt als reine Zylinderlinsenoptik ausgeführt sind und die vom linienförmigen Objekt zumindest in der zur Ausdehnungsrichtung des Spaltes senkrechten Ebene eine Zwischenbild erzeugen.According to the DE 10 2004 034 993 the refractive detection optics consists of two refractive anamorphic imaging groups, which are preferably designed as pure cylindrical lens optics and which generate an intermediate image of the linear object at least in the plane perpendicular to the extension direction of the gap.

Die zweite Abbildungsgruppe ist gemäß der DE 10 2004 034 993 ebenfalls eine stark anamorphotische refraktive Abbildungsgruppe. Die erste anamorphotische Abbildungsgruppe, die auch als erste Zylinderoptik bezeichnet wird, sowie die nachgeordnete zweite anamorphotische Abbildungsgruppe, die auch als zweite Zylinderoptik bezeichnet wird, stellen dann ein Pinholeobjektiv der Detektoranordnung dar, wobei das Pinhole durch die Schlitzblende realisiert wird.The second mapping group is according to DE 10 2004 034 993 also a strong anamorpho tables refractive imaging group. The first anamorphic imaging group, which is also referred to as the first cylinder optics, as well as the second anamorphic imaging group, which is also referred to as the second cylindrical optics, then represent a pinhole objective of the detector arrangement, the pinhole being realized by the slit diaphragm.

Zur nachfolgenden einfachen Beschreibung wird ein kartesisches x-, y-, z-Koordinatensystem definiert und angenommen, dass die Objektebene koplanar zur x-y-Ebene ist und das linienförmige Objekt, d. h. die Scanzeile parallel zur x-Achse. Die fokussierende Wirkung der refraktiven ersten Zylinderoptik erfolgt in der y-z-Ebene, so dass sich bei derjenigen z-Koordinate, bei der sich der Spalt befindet, eine Schnittlinie der Strahlen parallel zur x-Achse ergibt. Die zweite Abbildungsgruppe mit stark anamorphotischer Wirkung hat die Funktion die vom Spalt beschnittenen Lichtbündel auf die Pixel der Detektorzeile abzubilden.to following simple description, a Cartesian x, y, Z coordinate system defined and assumed that the object plane coplanar to the x-y plane and the linear object, d. H. the scan line parallel to the x-axis. The focusing effect the refractive first cylinder optics is in the y-z plane, so that at the z-coordinate at which the gap is located, a Cutting line of the rays parallel to the x-axis results. The second Image group with strong anamorphic effect has the function the light beam cut by the slit on the pixels of the Imaging detector line.

Bei den Systemen gemäß dem Stand der Technik in Form der DE 10 2004 034 993 A1 beträgt die numerische Apertur an der Spaltblende im y-z-Schnitt, d. h. in der Ebene auf der x-Richtung entlang der sich der Spalt erstreckt 0,07 und in derselben Schnittebene am Detektor 0,41.In the systems according to the prior art in the form of DE 10 2004 034 993 A1 is the numerical aperture at the slit diaphragm in yz-section, ie in the plane in the x-direction along which the gap extends 0.07 and in the same sectional plane at the detector 0.41.

Aufgrund der stark anamorphotischen Wirkung der ersten und der zweiten Abbildungsgruppe entsteht in der dazu senkrechten x-z-Schnittebene kein Zwischenbild. Die numerische Apertur am Detektor in der x-z-Schnittebene beträgt 0,03. Da die abbildende Optik im y-z-Schnitt ein Zwischenbild erzeugt und dieses Zwischenbild ein weiteres mal mit hoher numerischer Apertur auf den Detektor abgebildet werden muss, ist in dieser Schnittebene eine relativ hohe Brechkraft erforderlich. Die hohe Brechkraft führt bei den refraktiven Zylinderlinsensystemen, wie sie aus der DE 10 2004 034 993 bekannt geworden sind zu großen chromatischen Bildfehlern, insbesondere Farblängsfehlern und sekundären Farbfehlern. Diese Farbfehler können zwar beispielsweise durch den Einsatz teurer Spezialgläser mit anormaler Teildispersion des Brechungsindex zumindest teilweise kompensiert werden, jedoch sind hierfür Linsen aus Calciumfluorid und speziellen Fluorgläsern notwendig, die sehr teuer und schwierig zu bearbeiten sind.Due to the strong anamorphic effect of the first and the second imaging group, no intermediate image is formed in the xz-section plane perpendicular thereto. The numerical aperture at the detector in the xz slice plane is 0.03. Since the imaging optics generates an intermediate image in the yz cut and this intermediate image must be imaged a second time with a high numerical aperture on the detector, a relatively high refractive power is required in this sectional plane. The high refractive power leads to the refractive cylindrical lens systems, as they are known from DE 10 2004 034 993 have become known to large chromatic aberrations, especially longitudinal chromatic aberrations and secondary color aberrations. Although these color errors can be at least partially compensated, for example, by the use of expensive special glasses with an abnormal partial dispersion of the refractive index, lenses made of calcium fluoride and special fluorine glasses are necessary for this, which are very expensive and difficult to machine.

Ein weiterer Nachteil der Verwendung einer refraktiven Optik ist darin zu sehen, dass refraktive optische Systeme auf einen nutzbaren Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 800 nm beschränkt sind.One Another disadvantage of using a refractive optics is therein to see that refractive optical systems on a usable wavelength range between 400 nm and 800 nm are limited.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein optisches System anzugeben, dass die Nachteile der refraktiv aufgebauten optischen Systeme zur Abbildung eines linienförmigen Objektes in ein Bildfeld, das ebenfalls linienförmig ist, unter Ausbildung eines Zwischenbildes in einer Ebene auf der die Längsseite des linienförmigen Objektfeldes senkrecht steht vermeidet. Insbesondere sollen die chromatischen Bildfehler, insbesondere Farblängsfehler und sekundäre Farbfehler eines refraktiven Systems vermieden werden.task The invention is therefore to provide an optical system that the disadvantages of refractive optical systems for imaging a line-shaped object in a picture field, the same is linear, with the formation of an intermediate image in a plane on the the longitudinal side of the linear Object field perpendicular is avoided. In particular, the chromatic aberration, especially longitudinal chromatic aberration and avoid secondary color aberrations of a refractive system become.

Andererseits soll der detektierbare Spektralbereich sowohl zu kürzeren Wellenlängen, das heißt in Richtung von UV-Licht wie zu längeren Wellenlängen in Richtung von IR-Strahlung bei einem scannenden Abbildungssystem, insbesondere einem Laser-Scanmikroskop erweitert werden können.on the other hand the detectable spectral range should both be shorter Wavelengths, that is in the direction of UV light as to longer wavelengths in the direction of IR radiation in a scanning imaging system, in particular a laser scanning microscope can be extended.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass anstelle eines refraktiv ausgebildeten Systems ein rein reflektives System, das heißt eine Spiegeloptik für die Abbildung eines im wesentlichen linienförmigen Objekte in ein linienförmiges Bild beispielsweise auf einem Detektor eingesetzt wird. Bei der Spiegeloptik handelt es sich ein katoptrisches Objektiv, das heißt ein vollständig reflektiv ausgebildetes Objektiv. Da Spiegel keinerlei chromatische Fehler erzeugen, entfällt bei einer derartigen Spiegeloptik die Notwendigkeit einer Farbfehlerkorrektur. Des Weiteren zeichnen sich Spiegeloptiken dadurch aus, dass sie bis in den UV-Bereich von 193 nm und noch kürzeren Wellenlängen eine hohe Reflektivität aufweisen. Beispiele für Spiegeloptiken mit hoher Reflektivität sind beispielsweise Vielfachschichtsysteme, z. B. Mo/Si-Systeme. Des Weiteren können derartige Spiegeloptiken, da keinerlei chromatische Fehler auftreten, mit einer geringen Anzahl von Komponenten ausgeführt werden, was vorteilhaft in Bezug auf die Gesamttransmission des Systems, insbesondere bei Verwendung in einem zeilenweise abtastenden Abbildungssystems ist. Bevorzugt werden daher bei Verwendung als Detektionsoptik anstelle der refraktiven Optik in einem zeilenweise abtastenden Abbildungssystem 4-Spiegel-Objektive eingesetzt.These The object is achieved according to the invention that instead of a refractive trained system a purely reflective System, that is a mirror optics for imaging a substantially linear objects in a linear image for example, is used on a detector. In the mirror optics is it a catoptric lens, that is a completely reflective designed lens. There mirrors do not produce any chromatic errors, omitted in a such mirror optics the need for a color error correction. Furthermore, mirror optics are characterized by the fact that they down to the UV range of 193 nm and even shorter wavelengths have a high reflectivity. examples for Mirror optics with high reflectivity are, for example Multilayer systems, e.g. B. Mo / Si systems. Furthermore you can Such mirror optics, since no chromatic errors occur, run with a small number of components which is advantageous in terms of the overall transmission of the system, especially when used in a line-by-line scanning imaging system is. Therefore, when used as detection optics, preference is given instead the refractive optics in a line-by-line scanning imaging system 4-mirror lenses used.

Um eine abschattungsfreie Spiegeloptik mit einer sehr hohen Apertur zumindest in einer Schnittebene anzugeben, ist vorgesehen, wenigstens einen der Spiegel des katoptrischen Objektes als Freiformspiegel auszubilden. Freiformspiegel sind im Gegensatz zu rotationssymmetrischen Spiegeln oder Spiegeln, die sich als außeraxiales Segment rotationssymmetrischer Flächen darstellen lassen, Flächen, die keinerlei Symmetrie beziehungsweise allenfalls eine Spiegelsymmetrie zu einer Ebene, beispielsweise der Meridionalebene aufweisen.Around a shadow-free mirror optics with a very high aperture indicate at least in a sectional plane is provided, at least one of the mirrors of the catoptric object as a free-form mirror train. Free-form mirrors are in contrast to rotationally symmetric ones Mirroring or mirroring, posing as an off-axis segment rotationally symmetric surfaces, surfaces, the no symmetry or at most a mirror symmetry to a plane, for example the meridional plane.

Im Gegensatz zu sphärischen oder asphärischen Spiegeln, weisen Freiformspiegel keine Rotationssymmetrieachse auf. Freiformflächen können aber von rotationssymmetrischen Referenzflächen (beispielsweise sphärischen oder asphärischen Referenzflächen) hergeleitet werden. Die asphärischen oder sphärischen Referenzflächen sind die diejenigen rotationssymmetrischen Flächen, die Flächen, die sich der asymmetrischen Fläche am besten anpassen.in the Contrary to spherical or aspherical mirrors, Free-form mirrors have no rotational symmetry axis. Free-form surfaces But can of rotationally symmetric reference surfaces (for example spherical or aspheric reference surfaces) be derived. The aspherical or spherical Reference surfaces are those rotationally symmetric Surfaces, the areas that are asymmetric Fit the surface best.

Rotationssymmetrische Referenzflächen für Freiformflächen können wie in der WO 2007/031271 auf Seiten 23 bis 26 eingehend beschrieben erhalten werden. Der Offenbarungsgehalt der WO 2007/031271 wird bezüglich der Ableitung der Referenzflächen in diese Anmeldung vollumfänglich miteinbezogen.Rotationally symmetric reference surfaces for free-form surfaces can, as in the WO 2007/031271 on pages 23 to 26 are described in detail. The disclosure of the WO 2007/031271 is fully included in the derivation of the reference areas in this application.

Eine erste Möglichkeit der Beschreibung von Freiformflächen ist die mathematische Beschreibung durch Monome durch nachfolgende Gleichung:

j:: der laufende Index der Summe, der mit den Indizes m und n wie angegeben verbunden ist und
α:: eine ganze Zahl ist.

A first way of describing free-form surfaces is the mathematical description by monomials by the following equation:

j:: the running index of the sum associated with the indices m and n as indicated and
α:: is an integer.

Des Weiteren beschreibt in der Formel

z:: die Durchbiegung parallel zur z-Achse des lokalen Koordiantensystems,
c:: eine Kostante die der Vertexkrümmung entspricht,
k:: eine konische Konstante,
C_j: die Koeffizienten der Monome x^myⁿ.

Furthermore, in the formula

z:: the deflection parallel to the z-axis of the local coordinate system,
c:: a cost corresponding to the vertex curvature,
k:: a conical constant,
C _j: the coefficients of the monomials x ^m y ⁿ .

Typischerweise werden die Werte von c, k, C_j basierend auf den gewünschten optischen Eigenschaften des Spiegels für das abbildende System bestimmt. Auch die Ordnung des Monoms m + n kann angepasst werden. Im Allgemeinen gilt, dass je höher die Ordnung des Monomons ist, ein desto höher Level an Aberrationskorrektur erreicht wird. Allerdings steigt der Rechenaufwand stark an, wenn m + n zehn oder mehr beträgt. Die Berechnung von Freiformflächen beispielsweise der oben angegeben Art kann mit Hilfe kommerziell erhältliche Programm wie Code V, erhältlich von Optical Research Associates (Pasadena, California, USA) oder ZEMAX, erhältlich von Optima Research, Ltd, Stansted, Großbritannien) erfolgen.Typically, the values of c, k, C _j are determined based on the desired optical properties of the mirror for the imaging system. Also, the order of the m + n monomial can be adjusted. In general, the higher the order of the monomonic, the higher the level of aberration correction achieved. However, the computational effort increases sharply when m + n is ten or more. The calculation of freeform surfaces, for example of the type indicated above, can be made using commercially available programs such as Code V, available from Optical Research Associates (Pasadena, California, USA) or ZEMAX, available from Optima Research, Ltd., Stansted, United Kingdom).

Sind die Systeme spiegelsymmetrisch zu einer Meridonalebene, können alle Terme mit ungeradem m in o. g. Formel identisch zu Null gewählt werden. Eine ausreichende Korrektur aller Bildfehler bei der vorgesehenen Anwendung wird erreicht, wenn die Monome der Freiformfläche der Terme bis zur Ordnung m + n ≤ 10 enthält.are the systems can be mirror symmetric to a meridional plane all terms with odd m in o. g. Formula chosen identical to zero become. Adequate correction of all aberrations in the intended Application is achieved when the monomials of the freeform surface contains the terms up to the order m + n ≤ 10.

Die Ursprungspunkte der Koordinatensysteme der Spiegel für die Freiformflächen, welche nach der zuvor angegebenen Formel durch Monome erhalten werden, befinden sich in einer gemeinsamen Ebene, nämlich der Meridonalebene, bezüglich der dann alle Flächen spiegelsymmetrisch ausgebildet sein können.The Origin points of the coordinate systems of the mirrors for the freeform surfaces, which after the previously indicated Formula obtained by monomials are in a common plane, namely the meridional plane, with respect to the then all surfaces can be mirror-symmetrical.

Generell können Freiformflächen auf unterschiedliche Art und Weisen erhalten werden.As a general rule can freeform surfaces in different ways and ways.

Alternativ zu einer Ausgestaltung der Freiformfläche mit Monomen wie oben angegeben ist es auch möglich, die Freiformfläche in Form von Splineflächen zu erhalten. Splineflächen werden beispielsweise dadurch erhalten, dass zunächst eine vorgegebene Anzahl von Aufpunkten vorgegeben wird sowie ein Referenzparameter zur mathematischen Flächenkonstruktion am Ort dieser Aufpunkte. Sodann wird ein Oberflächenabschnitt der optischen Oberfläche zwischen benachbarten Aufpunkten durch jeweils eine eigene zwischen den Aufpunkten definierte Funktion vorgegeben, wobei am Ort der Aufpunkte, also dort, wo die verschiedenen Funktionen der definierten Oberfläche aneinandergrenzen, durch Variation der Funktion ein stetig differenzierbarer Übergang erzeugt wird. Eine Splinefläche ist somit eine Fläche, die sich nicht durch eine einzige analytische Funktion beschreiben lässt, sondern vielmehr stückweise durch Polynome oder rationale Funktionen, das heißt Quotienten von Polynomen. Der Referenzparameter zur mathematischen Flächenkonstruktion am Ort der Aufpunkte, stellt die Eindeutigkeit der Splinefläche sicher. Die Glattheit im Übergang zwischen den Polynomen, das heißt den Intervallen auf der Spiegelfläche, wird durch die Forderung nach stetiger Differenzierbarkeit an der Intervallgrenze erreicht. In Abhängigkeit der Anzahl der gewählten Aufpunkte für die Splinefläche entsteht eine Vielzahl von Ausgestaltungsmöglichkeiten der Fläche. Gibt man die Referenzparameter am Ort der Aufpunkte als Steigung der Funktion am Ort des jeweiligen Aufpunktes an, so führt dies zu einer kompakten Möglichkeit die Splineflächen in ihrer mathematischen Form zu beschreiben. Splinfflächen, die so hergestellt werden, dass als Referenzparameter am Ort der Aufpunkte eine Pfeilhöhe vorgegeben wird, führen dazu, dass Abbildungsfehler reduziert werden können, die über einen ausgeleuchteten Bereich in nicht symmetrischer Weise variieren.alternative to an embodiment of the free-form surface with monomials such As stated above, it is also possible to use the freeform surface in the form of spline surfaces. spline surfaces are obtained, for example, that first a predetermined number of Aufpunkte is given and a reference parameter to the mathematical surface construction at the place of these Aufpunkte. Then, a surface portion of the optical surface becomes between adjacent Aufpunkte by their own between the Aufpunkte defined function specified, where at the place of Aufpunkte, ie where the different functions of the defined Surface adjoin, by varying the function a continuously differentiable transition is generated. A Spline surface is thus an area that is not can be described by a single analytical function, but rather piecewise by polynomials or rational Functions, that is, quotients of polynomials. The reference parameter to the mathematical surface construction at the place of the Aufpunkte, ensures the uniqueness of the spline surface. The smoothness in the transition between the polynomials, that is the intervals on the mirror surface, is determined by the requirement reached after steady differentiability at the interval limit. Depending on the number of selected Aufpunkte For the spline surface creates a variety of design options the area. Do you give the reference parameters at the place of Aufpunkte as slope of the function at the location of the respective Aufpunktes, so This leads to a compact way the Describe spline surfaces in their mathematical form. Spline surfaces that are made to serve as reference parameters at the location of Aufpunkte an arrow height is given, lead that aberrations can be reduced that over vary a lighted area in a non-symmetrical manner.

Wählt man bei Splineflächen die Aufpunktanzahl zwischen 2 und 100, insbesondere weniger als 20 beziehungsweise weniger als 15, so lässt sich mit geringem Rechenaufwand eine Freiformfläche mit sehr niedrigem mathematischem Aufwand berechnen. Werden außerhalb des beleuchteten Abschnittes der Splintfläche ausgewählte Aufpunkte gewählt, so kann man hierdurch sicherstellen, dass die Splinefläche nicht am Rand des beleuchteten Bereiches unerwünschte Deformationen zeigt.If one chooses the Aufpunktan at Splineflächen number between 2 and 100, in particular less than 20 or less than 15, so can be calculated with little computational effort, a free-form surface with very low mathematical effort. If selected receptor points are selected outside the illuminated portion of the splint surface, this can ensure that the spline surface does not show undesired deformations at the edge of the illuminated region.

Eine weitere Möglichkeit eine Freiformfläche darzustellen ist die Verwendung von Zernike Polynomen, wie Sie beispielsweise im Handbuch zu Progarmm Code V, erhältlich von Optical Reserach Associates, Pasadena, California, USA) beschrieben ist.A Another possibility to display a freeform surface is the use of Zernike polynomials, such as you in the Progarmm Code V manual, available from Optical Reserach Associates, Pasadena, California, USA).

Bevorzugt umfasst in einer ersten Ausführungsform der Erfindung die erste Spiegelgruppe mindestens einen gekrümmten Spiegel. Durch den oder die Spiegel der ersten Spiegelgruppe wird ein linienförmiges Objekt, bespielsweise eine Zeile in einer vorgegebenen Objektebene wenigstens in einem von zweien zueinander orthogonalen Hauptschnitten, einem meridonalen Hauptschnitt (y-z-Schnitt) oder einem sagittalen Hauptschnitt (x-z-Schnitt) oder in beiden Schnitten weitgehend punktförmig in eine Ebene (x-, y-Ebene) abgebildet. In dieser Ebene ergibt sich dann am Fokuspunkt ein Zwischenbild in einer oder in beiden Hauptschnitten. In der Ebene, in der das Zwischenbild ausgebildet wird kann dann ein fester oder variabel einstellbarer Spalt angeordnet werden. Die Optik funktioniert dann als Pinhole Optik.Prefers comprises in a first embodiment of the invention first mirror group at least one curved mirror. By the mirror or mirrors of the first mirror group is a line-shaped Object, for example a line in a given object plane at least in one of two mutually orthogonal main sections, a meridional main section (y-z-cut) or a sagittal one Main section (x-z-section) or largely punctiform in both sections mapped into a plane (x, y plane). In this level arises then at the focal point an intermediate image in one or both main sections. In the plane in which the intermediate image is formed can then a fixed or variably adjustable gap can be arranged. The optics then work as a pinhole optic.

Bevorzugt weist die erste Spiegelgruppe maximal zwei Spiegel, ganz besonders bevorzugt genau zwei Spiegel auf. Bevorzugt ist wenigstens ein Spiegel der ersten Spiegelgruppe mit einer Freiformfläche ausgebildet, das heißt nicht rotationssymmetrisch gekrümmt. Die erste Spiegelgruppe stellt bevorzugt eine anamorphotische Abbildung des linienförmigen Objekts dar, bei der die Fokussierung lediglich in einem der beiden Hauptschnitte erfolgt. Besonders bevorzugt ist es, wenn beide Spiegel eine nicht rotationssymmetrische Krümmung, das heißt eine Freiformfläche, aufweisen.Prefers the first mirror group has a maximum of two mirrors, especially prefers exactly two mirrors. At least one mirror is preferred the first mirror group formed with a freeform surface, that is not rotationally symmetrical curved. The first mirror group preferably represents an anamorphic image of the linear object at which the focus only in one of the two main sections. Especially preferred It is when both mirrors a non-rotationally symmetric curvature, the is a freeform surface.

Die zweite Spiegelgruppe, die die vom Spalt beschnittenen Lichtbündel wieder auf eine linienförmige Detektorzeile abbildet, umfasst mindestens einen gekrümmten Spiegel, der als Freiformfläche ausgebildet ist. Bevorzugt ist es, wenn die zweite Spiegelgruppe genau zwei gekrümmte Spiegel umfasst, wobei beide Spiegel Freiformflächen aufweisen.The second mirror group, the light beam cut by the gap again maps to a line-shaped detector line comprises at least one curved mirror, as a freeform surface is trained. It is preferred if the second mirror group exactly two curved mirrors, both mirrors Have freeform surfaces.

Das Spiegelsystem gemäß der Erfindung zeichnet sich bevorzugt dadurch aus, dass es im meridionalen Schnitt, d. h. im y-z-Schnitt in der Bildebene, d. h. am Ort, an dem der Detektor angeordnet ist, eine numerische Apertur NA_Bildyz größer als 0,3, bevorzugt größer als 0,4, ganz bevorzugt größer als 0,5, insbesondere größer 0,6 aufweist. Die numerische Apertur NA_Bildxz ist im sagittalen Schnitt, d. h. im x-z-Schnitt in der Bildebene, d. h. am Ort, an dem der Detektor angeordnet ist ist bevorzugt kleiner 0,2, insbesondere kleiner 0,1, ganz bevorzugt kleiner 0,05.The mirror system according to the invention is preferably characterized in that, in the meridional section, ie in the yz section in the image plane, ie at the location where the detector is arranged, a numerical aperture NA _Bildyz greater than 0.3, preferably larger than 0.4, more preferably greater than 0.5, in particular greater than 0.6. The numerical aperture NA _Bildxz is in the sagittal section, ie in the xz-section in the image plane, ie at the location where the detector is arranged is preferably less than 0.2, in particular less than 0.1, more preferably less than 0.05.

Die numerische Apertur NA_Spaltyz im meridionalen Schnitt, d. h. im y-z-Schnitt beträgt am Ort, an dem in der y-z-Ebene das Zwischenbild ausgebildet wird, d. h. am Ort an dem der Spalt zu liegen kommt weniger als 0,1, bevorzugt weniger als 0,5, insbesondere bevorzugt weniger als 0,05, insbesondere weniger als 0,02.The numerical aperture NA _Spaltyz in the meridional section, ie in the yz section, is at the location where the intermediate image is formed in the yz plane, ie at the location where the gap comes to lie is less than 0.1, preferably less than 0 , 5, more preferably less than 0.05, in particular less than 0.02.

Des Weiteren beträgt die Verzeichnung des erfindungsgemäßen Objektives in der Bildebene, d. h. am Detektor weniger als 5 Promille, insbesondere weniger als 1 Promille, bevorzugt weniger als 0,5 Promille in x-Richtung und weniger als 10 Promille, bevorzugt weniger als 5 Promille, ganz besonders weniger als 3 Promille in y-Richtung. Um die in der Ebene, in der der Spalt angeordnet ist ausgebildeten Punktbild aller Punkte einer Scanzeile durch den Spalt gleichmäßig beschneiden zu können, beträgt die Verzeichnung in der Ebene, in der das Zwischenbild zu liegen kommt weniger als 1000 nm, bevorzugt weniger als 500 nm, insbesondere weniger als 250 nm.Of Furthermore, the distortion of the invention is Objective in the image plane, d. H. less than 5 per thousand at the detector, in particular less than 1 per mille, preferably less than 0.5 per thousand in the x-direction and less than 10 parts per thousand, preferably less than 5 per mil, especially less than 3 per mil in the y-direction. Around the formed in the plane in which the gap is arranged point image all points of a scan line through the gap evenly to be able to trim is the distortion in the plane in which the intermediate image comes to lie less than 1000 nm, preferably less than 500 nm, in particular less than 250 nm.

Insbesondere stellt die Erfindung neben einem Spiegelobjektiv zur Abbildung eines im Wesentlichen linienförmigen Objektes mit einem Aspektverhältnis größer als 1:50, insbesondere größer als 1:100 und ein Bildfeld mit einem Aspektverhältnis größer als 1:50, insbesondere größer als 1:100 und einer Abbildung in ein Zwischenbild in wenigstens einer Ebene, auf der die Achse entlang der sich der Spalt erstreckt, senkrecht steht, wobei wenigstens eine Spiegelfläche als Freiformfläche ausgebildet sind ein zeilenweise scannendes Abbildungssystem, insbesondere einem Laserscanningmikroskop, wie es beispielsweise in der DE 10 2004 03 4993 angegeben ist mit einem derartigen Objektiv zur Verfügung. In dem abbildenden optischen System, insbesondere dem Laserscanningmikroskop findet das Projektionsobjektiv bevorzugt als optisches System Verwendung, das im Bereich des Detektormoduls des Laserscannmikroskopes eingesetzt werden kann. Die erste Spiegelgruppe sowie die nachgeordnete zweite Spiegelgruppe im optischen Strahlengang bilden ein Pinholeobjektiv für die Detektoranordnung des Laserscannmikroskops, wobei das Pinhole durch eine Schlitzblende realisiert werden kann.In particular, in addition to a mirror objective for imaging a substantially line-shaped object with an aspect ratio greater than 1:50, in particular greater than 1: 100, the invention provides an image field with an aspect ratio greater than 1:50, in particular greater than 1: 100, and an image in an intermediate image in at least one plane, on which the axis along which the gap extends is perpendicular, wherein at least one mirror surface is formed as a free-form surface, a line scanning system imaging, in particular a laser scanning microscope, as for example in the DE 10 2004 03 4993 indicated is available with such a lens. In the imaging optical system, in particular the laser scanning microscope, the projection objective is preferably used as an optical system which can be used in the region of the detector module of the laser scanning microscope. The first mirror group and the downstream second mirror group in the optical beam path form a pinhole objective for the detector arrangement of the laser scanning microscope, wherein the pinhole can be realized by a slit diaphragm.

Durch die konfokale oder teilkonfokale Abbildung durch die Schlitzblende wird eine konvokale oder teilkonvokale Abbildung bezüglich einer Probe, deren Fluoreszenzstrahlung beispielsweise detektiert werden soll, realisiert, wobei die Größe der Schlitzblende die Tiefenschärfe, mit der die Fluoreszenzstrahlung der Probe detektier werden kann, festlegt. Die Geometrie der Schlitzblende bestimmt somit die Schnittebene innerhalb eines Präparates, aus der die Fluoreszenzstrahlung detektiert wird.Due to the confocal or partially confocal imaging through the slit diaphragm, a convocale or partially convocale image with respect to a sample whose fluorescence radiation is to be detected, for example, realized, wherein the size of the slit diaphragm, the depth of focus, with the fluorescence zenzstrahlung the sample can be detected determines. The geometry of the slit thus determines the cutting plane within a specimen from which the fluorescence radiation is detected.

Bevorzugtes AusführungsbeispielPreferred embodiment

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben werden. Es zeigen:following the invention will be described with reference to exemplary embodiments become. Show it:

1a die Form eines weitgehend linienförmigen Objektes in der Objektebene des Objektives mit einem hohen Aspektverhältnis; 1a the shape of a largely linear object in the object plane of the lens with a high aspect ratio;

2a die Definition der numerischen Apertur 2a the definition of the numerical aperture

2b die Definition einer Meridonalebene; 2 B the definition of a meridional plane;

3 die mathematische Konstruktion zum Erhalt der lokalen Koordinatensysteme für die optischen Daten; 3 the mathematical construction for obtaining the local coordinate systems for the optical data;

4 einen y-z-Schnitt eines Objektives mit den optischen Daten des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 6a bis 6c; 4 a yz-section of an objective with the optical data of the first embodiment according to 6a to 6c ;

5 einen x-z-Schnitt eines Objektives mit den optischen Daten des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 6a bis 6c; 5 an xz-section of an objective with the optical data of the first embodiment according to 6a to 6c ;

6a–6c die optischen Daten des ersten Ausführungsbeispiels; 6a - 6c the optical data of the first embodiment;

7 die Darstellung der meridonalen und sagittalen Queraberration für ausgewählte Feldpunkte in der Bildebene; 7 the representation of the meridional and sagittal transverse aberration for selected field points in the image plane;

8 die Darstellung der meridonalen Queraberration für ausgewählte Feldpunkte in der Zwischenbildebene; 8th the representation of the meridional transverse aberration for selected field points in the intermediate image plane;

9 die meridonale und sagittale Wellenfrontaberration für ausgewählte Feldpunkte in der Bildebene; 9 the meridonal and sagittal wavefront aberration for selected field points in the image plane;

10 die meridonale Wellenfrontaberration für ausgewählte Feldpunkte in der Zwischenbildebene. 10 the meridonal wavefront aberration for selected field points in the intermediate image plane.

In 1 ist beispielhaft ein linienförmiges Objekt 10 mit einem hohen Aspektverhältnis von mehr 1:50, insbesondere mehr als 1:100 dargestellt. Das Aspektverhältnis ergibt sich aus dem Verhältnis der Länge L des im wesentlichen linienförmigen Feldes und der Breite B. Des Weiteren sind in 1 die die Objektebene aufspannenden Achsen, nämlich die x-Achse und die y-Achse eingezeichnet. Des weiteren eingezeichnet ist die z-Achse, die senkrecht auf der Objektebene steht. Wie aus 1 zu entnehmen ist, ist das Objekt in x-Richtung stark ausgedehnt, wohingegen die Breite B nur sehr gering ist. Daher stellt sich das Objekt im wesentlichen linienförmig dar. Der Koordinatenursprung des lokalen Koordinatensystems in der Objektebene wird durch die Mitte des linienförmigen Objektes ZEN festgelegt.In 1 is an example of a linear object 10 shown with a high aspect ratio of more 1:50, especially more than 1: 100. The aspect ratio results from the ratio of the length L of the substantially linear field and the width B. Further, in 1 the axes spanning the object plane, namely the x-axis and the y-axis, are drawn. Also marked is the z-axis, which is perpendicular to the object plane. How out 1 can be seen, the object is greatly expanded in the x direction, whereas the width B is only very small. Therefore, the object is essentially linear. The coordinate origin of the local coordinate system in the object plane is defined by the center of the linear object ZEN.

In 2a ist dargestellt wie eine numerische Apertur zu verstehen ist. Die Strahlen 152 definieren beispielsweise in einer Ebene, hier in einer Meridionalebene ein Strahlbündel, das das Bild in der Bildebene, beispielsweise der Detektorebene 102 ausbildet. Der halbe maximale Öffnungswinkel θ_max des Strahlbündels ist wie folgt mit der numerischen Apertur NA_Bild verbunden: NABild = n0 sin θmax wobei n₀ der Brechungsindex eines Immersionsmediums ist, dass benachbart zur Oberfläche des Detektors ist. Ist der Detektor beispielsweise im Vakuum oder in Luft angeordnet, so ist n₀ ≈ 1.In 2a is shown how a numerical aperture is to be understood. The Rays 152 For example, in a plane, here in a meridional plane, a beam defines the image in the image plane, for example the detector plane 102 formed. The half maximum opening angle θ _{max of} the beam is connected to the numerical aperture NA _image as follows: N / A image = n 0 sin θ Max where n _{0 is} the refractive index of an immersion medium that is adjacent to the surface of the detector. If the detector is arranged, for example, in a vacuum or in air, then n ₀ ≈ 1.

Bezugnehmend auf das in 1 gezeigte Koordinatensystem ist in 2b dargestellt, wie die Meridionalebene des Projektionsobjektives definiert ist. Die Meridionalebene wird durch die z-Richtung und die y-Richtung im Mittelpunkt ZEN des linienförmigen Objektes 10 aus 1 aufgespannt. Eine Sagittalebene bezeichnet eine Ebene, die senkrecht auf der Meridionalebene steht. Im Objektfeld ist dann die Sagittalebene die Ebene, die durch die x- und die z-Richtung aufgespannt wird.Referring to the in 1 shown coordinate system is in 2 B shown how the meridional plane of the projection lens is defined. The meridional plane is centered by the z-direction and the y-direction ZEN of the linear object 10 out 1 clamped. A sagittal plane refers to a plane that is perpendicular to the meridional plane. In the object field, the sagittal plane is then the plane spanned by the x and z directions.

Bei dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel, das als 4-Spiegel-Objektiv ausgelegt ist, mit einer ersten Spiegelgruppe, umfassen die Spiegel M1 und M2 sowie einer zweiten Spiegelgruppe, umfassen die Spiegel M3 und M4, sind sämtliche vier Spiegel als Freiformflächen ausgestaltet. Das bedeutet, dass diese Flächen sich nicht als dezentrierte, das heißt außeraxiale und gegebenenfalls zusätzlich verdrehte Flächenstücke einer rotationssymmetrischen Fläche darstellen lassen. Die Freiformflächen werden in vorliegendem Ausführungsbeispiel mathematisch durch Monome folgender Gleichung beschrieben:

j:: der laufende Index der Summe, der mit den Indizes m und n wie angegeben verbunden ist und
α: eine ganze Zahl.

In the embodiment described below, which is designed as a 4-mirror objective with a first mirror group, the mirrors M1 and M2 and a second mirror group, comprising the mirrors M3 and M4, all four mirrors are designed as free-form surfaces. This means that these surfaces can not be represented as decentered, that is, off-axis and possibly additionally twisted patches of a rotationally symmetric surface. The free-form surfaces are mathematically described in the present embodiment by monomials of the following equation:

j:: the running index of the sum associated with the indices m and n as indicated and
α: an integer.

Des Weiteren beschreibt in der Formel

z: die Durchbiegung parallel zur z-Achse des lokalen Koordiantensystems,
c: eine Kostante die der Vertexkrümmung entspricht,
k: eine konische Konstante, und
C_j: die Koeffizienten der Monome x^myⁿ.

Furthermore, in the formula

z: the deflection parallel to the z-axis of the local coordinate system,
c: a cost corresponding to the vertex curvature,
k: a conic constant, and
C _j: the coefficients of the monomials x ^m y ⁿ .

Sind die Freiformflächen spiegelsymmetrisch zur Meridonalebene, so können bei durch Monome beschriebenen Freiformfläche alle Terme mit ungeradem m identisch Null gewählt werden. Eine ausreichend gute Korrektion aller Bildfehler wird wie an dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel dargestellt erreicht, wenn die Monome Terme bis zur Ordnung n + m ≤ 10 enthält. Terme der Ordnung höher als 10 erlauben lediglich geringfügige Verbesserungen.are the free-form surfaces are mirror-symmetrical to the meridional plane, so may in freeform surface described by monomials all terms with odd m identically zero are chosen. A sufficiently good correction of all aberrations will be like this shown in the following embodiment, if the monomial contains terms up to the order n + m ≤ 10. Terms of order higher than 10 allow only minor ones Improvements.

Die Freiformflächen müssen für jeden einzelnen Spiegel nach obiger Gleichung berechnet werden. Hierfür müssen für jede Fläche lokale Koordinatensysteme zu Grunde gelegt werden. Die Ursprungspunkte der lokalen Koordinatensysteme der Spiegel befinden sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer gemeinsamen Ebene, nämlich der Meridonalebene, bezüglich derer sich auch alle Flächen spiegelsymmetrisch verhalten.The Freeform surfaces must be for each individual Mirror can be calculated according to the above equation. Therefor must have local coordinate systems for each surface be based on. The origin points of the local coordinate systems the mirrors are in the embodiment shown of the invention in a common plane, namely the meridional plane, with regard to which all surfaces are mirror-symmetrical behavior.

In 3 ist gezeigt, welche mathematische Konstruktion zugrunde gelegt wird, um die jeweiligen lokalen Koordinatensysteme zu erhalten.In 3 is shown which mathematical construction is used to obtain the respective local coordinate systems.

Ausgangspunkt ist das x-y-z-Ursprungskoordinatensystem in der Objektebene des Projektionsobjektives. Das lokale Koordinatensystem beispielsweise für den ersten Spiegel bezüglich der die Monome der Freiformfläche entwickelt werden, wird dadurch erhalten, dass zunächst das x-, y-, z-Koordinatensystem entlang der x-Achse um den Abstand A_OM1 von der Objektebene zu dem ersten Spiegel M1 verschoben wird. Sodann wird das Koordinatensystem in y-Richtung um y_DEM1 dezentriert und anschließend gegen die Richtung der Y-Achse des Ursprungskoordinatensystems um α_M1 verkippt wird, wobei die x-Richtung wegen der bei vorliegendem Ausführungsbeispiel zugrunde liegenden Spiegelsymmetrie zur Meridionalebene erhalten bleibt. Das lokale Koordinatensystem, das dem ersten Spiegel zugeordnet ist, wird mit x, y1, z1 bezeichnet. Das lokale Koordinatensystem des zweiten Spiegels wird erhalten, indem man das Koordinatensystem des ersten Spiegels M1 wieder in das Ursprungskoordinatensystem an der z-Position für den ersten Spiegel überführt, dieses Koordinatensystem verschiebt, bis die Position des zweiten Spiegels und wie oben beschrieben die Dezentrierung in y-Richtung beziehungsweise das Verkippen bezüglich der y-Richtung für den zweiten Spiegel durchführt.The starting point is the xyz origin coordinate system in the object plane of the projection objective. For example, the local coordinate system for the first mirror with respect to which the freeform surface monomials are developed is obtained by first plotting the x, y, z coordinate system along the x-axis by the distance A _OM1 from the object plane to the first mirror M1 is moved. The coordinate system is then decentered in the y direction by y _DEM1 and then tilted by α _M1 _relative to the direction of the Y axis of the original coordinate system, the x direction being retained due to the mirror symmetry underlying the meridional plane in the present exemplary embodiment. The local coordinate system associated with the first mirror is denoted by x, y1, z1. The local coordinate system of the second mirror is obtained by returning the coordinate system of the first mirror M1 back to the original coordinate system at the z-position for the first mirror, shifting that coordinate system until the position of the second mirror and, as described above, decentring in y Direction or the tilting with respect to the y-direction for the second mirror performs.

4 und 5 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung mit vier Spiegeln, die alle als Freiformflächen ausgebildet sind. Die Objektebene, in der das vorzugsweise linienförmige abzubildende Objekt liegt, ist mit 3000 bezeichnet, die Bildebene in die das linienförmige Objekt abgebildet wird mit 3002. Bevorzugt ist in der Bildebene ein Detektor angeordnet, auf den das linienförmige Objekt, beispielsweise eine Scan-Zeile abgebildet wird. Das dargestellte Objektiv umfasst insgesamt vier Spiegelflächen, die auf vier physikalische Spiegel verteilt sind, nämlich einen ersten Spiegel M1, einen zweiten Spiegel M2, einen dritten Spiegel M3 und einen vierten Spiegel M4. Der erste und der zweite Spiegel bilden eine erste Spiegelgruppe, die eine hohe anamorphotische Wirkung zeigt, aus und der dritte und der vierte Spiegel eine zweite Spiegelgruppe, die ebenfalls eine hohe anamorphotische Wirkung zeigt. 4 and 5 show embodiments of the invention with four mirrors, which are all formed as free-form surfaces. The object plane in which the preferably line-shaped object to be imaged lies with 3000 denotes the image plane in which the line-shaped object is mapped with 3002 , Preferably, a detector is arranged in the image plane, onto which the linear object, for example a scan line, is imaged. The illustrated objective comprises a total of four mirror surfaces distributed over four physical mirrors, namely a first mirror M1, a second mirror M2, a third mirror M3 and a fourth mirror M4. The first and second mirrors form a first mirror group exhibiting a high anamorphic effect, and the third and fourth mirrors form a second mirror group, which also exhibits a high anamorphic effect.

In 4 ist das Ausführungsbeispiel eines 4-Spiegelsystem mit Freiformflächen in der y-z-Ebene dargestellt. Wie deutlich zu erkennen ist, wird in der y-z-Ebene zwischen dem zweiten Spiegel M2 und dem dritten Spiegel M3 im Strahlengang ein punktförmiges Zwischenbild Z ausgebildet. Um einen Detektor, der in der Ebene 3002 zu liegen kommt und auf den das linienförmige Objekt abgebildet wird, zu schützen, ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine dünne Glasplatte als Schutzglasplatte 3004 vorgesehen. Die Schutzglasplatte 3004 ist lediglich aus technologischen Gründen vorgesehen ist, beispielsweise um einen einfachen Staubschutz zu gewährleisten, so dass bei der Montage keine Reinraumbedingungen eingehalten werden müssen. Durch das Einbringen der Schutzglasplatte 3004 werden zwar wieder chromatische Längsfehler eingeführt, die mit der Spiegeloptik nicht kompensiert werden können, diese sind jedoch wesentlich geringer als bei den bislang bekannten refraktiven Systemen. Da die Schutzglasplatte 3004 nicht absolut notwendig ist, könnte sie auch weggelassen werden.In 4 the embodiment of a 4-mirror system is shown with free-form surfaces in the yz plane. As can be clearly seen, a punctiform intermediate image Z is formed in the yz plane between the second mirror M2 and the third mirror M3 in the beam path. To get a detector in the plane 3002 is to lie and on which the line-shaped object is mapped to protect, in the present embodiment, a thin glass plate as a protective glass plate 3004 intended. The protective glass plate 3004 is only provided for technological reasons, for example, to ensure a simple dust protection, so that during installation no clean room conditions must be met. By inserting the protective glass plate 3004 Although chromatic longitudinal errors are introduced, which can not be compensated with the mirror optics, but these are much lower than in the previously known refractive systems. Because the protective glass plate 3004 not absolutely necessary, it could also be left out.

Im Gegensatz zu der y-z-Ebene, in der ein punktförmiges Zwischenbild Z, wie es für eine Schlitzblende erforderlich ist, ausgebildet wird, wird ein Zwischenbild in der x-z-Ebene nicht ausgebildet.in the Contrary to the y-z plane, in which a punctiform intermediate image Z, as required for a slit, trained is, an intermediate image in the x-z plane is not formed.

In 5 ist das erfindungsgemäße Objektiv in der x-z-Ebene dargestellt. Deutlich zu erkennen ist, dass im Strahlengang zwischen dem zweiten M2 und dem dritten Spiegel M3 kein Zwischenbild ausgebildet wird.In 5 the objective according to the invention is shown in the xz-plane. It can be clearly seen that no intermediate image is formed in the beam path between the second M2 and the third mirror M3.

Wie aus dem y-z-Schnitt in 4 hervorgeht, beträgt die numerische Apertur NA_Bildyz im y-z-Schnitt an der Detektorzeile, das bedeutet in der Bildebene 3002 im vorliegenden Ausführungsbeispiel ungefähr 0,40. Selbstverständlich könnte für den Fachmann durch einen nur wenig geänderten optischen Aufbau die numerische Apertur im y-z-Schnitt am Bild NA_Bildyz auch größer als 0,4 sein. Im Gegensatz zur numerischen Apertur NA_Bildyz im y-z-Schnitt beträgt die numerische Apertur NA_Bildxz im x-z-Schnitt in der Bildebene, das heißt auf der Detektorseite, lediglich 0,032, d. h. die numerische Apertur im x-z-Schnitt ist ungefähr 10-fach geringer als im y-z-Schnitt.As from the yz-cut in 4 As can be seen, the numerical aperture NA is _Bildyz in yz-section at the detector line, that means in the image plane 3002 about 0.40 in the present embodiment. Of course, for a _person skilled in the art, the numerical aperture in the yz section on the image NA _{Bildyz could} also be greater than 0.4 due to a slightly different optical design. In contrast to the numerical aperture NA _Bildyz in the yz-section, the numerical aperture NA _Bildxz in xz-section in the image plane, that is on the detector side, is only 0.032, ie the numerical aperture in the xz-section is approximately 10 times smaller than in yz section.

Die numerische Apertur NA_Spaltyz im y-z-Schnitt am Spalt, das heißt im Bereich des Zwischenbildes, ist sehr gering und beträgt lediglich 0,016. Die numerische Apertur NA_Spaltyz am Spalt in der y-z-Ebene legt die Breite des beugungsbegrenzten Punktbildes und damit die Spaltbreiten fest. Bevorzugt werden am Spalt in der y-z-Ebene kleine numerische Aperturen NA_Spaltyz bevorzugt kleiner als 0,05 gewählt, da die zugehörigen Spaltbreiten technisch möglichst einfach realisiert werden sollen.The numerical aperture NA _Spaltyz in the yz cut at the gap, that is in the area of the intermediate _image , is very small and amounts to only 0.016. The numerical aperture NA _Spaltyz at the gap in the yz plane defines the width of the diffraction-limited dot image and thus the gap widths. Preferably, small numerical apertures NA _{Spaltyz are} preferably selected smaller than 0.05 at the gap in the yz plane, since the associated gap widths are to be realized as technically as possible in a simple manner.

Die Verzeichnung im Bereich der Bildebene, in der der Detektor angeordnet ist, beträgt für alle Feldpunkte des Bildfeldes weniger als 0,5 Promille in x-Richtung und weniger als 3 Promille in y-Richtung. Die Verzeichnung in y-Richtung beträgt für alle Feldpunkte im Bereich des Zwischenbildes, das heißt im Bereich der Spaltblende, weniger als 250 nm, so dass sich die Punktbilder aller Punkte einer Scanzeile, die sich in x-Richtung erstreckt, durch den Spalt gleichmäßig beschnitten werden können. Die optischen Daten der in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiele können 6a bis 6c entnommen werden. Die optischen Daten in 6a bis 6c sind in Code-V-Format des Optikdesignprogramm Code-V der Optical Research Associates, Passadena, Californien, USA, angegeben. In 6a bezeichnet ein positiver Radius eine Krümmung nach rechts. Ein negativer Radius eine Krümmung nach links. Die Dimensionen sind in mm gegeben. Die Dicke bezeichnet den axialen Abstand zur nächsten Fläche und der Bilddurchmesser ist ein paraxialer Wert und kein ray traced Wert. Zur Beschreibung der Freiformflächen werden Monome folgender Gleichung verwandt:

j:: der laufende Index der Summe, der mit den Indizes m und n wie angegeben verbunden ist und
α: eine ganze Zahl ist

The distortion in the region of the image plane in which the detector is arranged is less than 0.5 per thousand in the x-direction and less than 3 per thousand in the y-direction for all field points of the image field. The distortion in the y-direction is less than 250 nm for all field points in the region of the intermediate image, that is to say in the region of the slit diaphragm, so that the dot images of all points of a scan line which extend in the x-direction are uniformly trimmed through the slit can be. The optical data in the 4 and 5 shown embodiments can 6a to 6c be removed. The optical data in 6a to 6c are given in Code-V format of the Code-V optical design program of Optical Research Associates, Passadena, California, USA. In 6a a positive radius indicates a curvature to the right. A negative radius is a curvature to the left. The dimensions are given in mm. The thickness indicates the axial distance to the next surface and the image diameter is a paraxial value and not a ray traced value. To describe the freeform surfaces, monomials of the following equation are used:

j:: the running index of the sum associated with the indices m and n as indicated and
α: is an integer

Des Weiteren beschreibt in der Formel

Furthermore, in the formula

In den 7 bis 10 sind die Queraberration und die Wellenfrontaberration für ausgewählte Feldpunkte in der Meridionalebene (y-z-Ebene) und der Sagittalebene (x-z-Ebene) für das in den 4 bis 6c gezeigte Ausführungsbeispiel angegeben.In the 7 to 10 are the transverse aberration and the wavefront aberration for selected field points in the meridional plane (yz-plane) and the sagittal plane (xz-plane) for the in the 4 to 6c shown embodiment shown.

7 zeigt die meridionale und sagittale Queraberration für fünf ausgewählte Feldpunkte auf der Detektorzeile, d. h. in der Bildebene. Wie hieraus zu ersehen ist, ist die Abbildung in die Bildebene im Wesentlichen nur beugungsbegrenzt. 7 shows the meridional and sagittal lateral aberration for five selected field points on the detector line, ie in the image plane. As can be seen, the image in the image plane is essentially only diffraction-limited.

8 ergibt zeigt die Queraberration für dieselben ausgewählten Feldpunkte wie in der Detektorzeile in der Zwischenbildebene, das heißt am Spalt. Am Spalt ist lediglich die meridionale Queraberration (für den y-Strahl) relevant. Die Abbildung ist wie aus 8 folgt im Wesentlichen nur beugungsbegrenzt. 8th shows the transverse aberration for the same selected field points as in the detector row in the intermediate image plane, ie at the gap. Only the meridional transverse aberration (for the y ray) is relevant at the gap. The picture is like 8th essentially follows only diffraction-limited.

9 zeigt die meridonale und sagittale Wellenfrontaberration für ausgewählte Feldpunkte auf der Detektorzeile, d. h. in der Bildebene. Die Aberrationen in 9 sind in Einheiten der Bezugswellelänge von 500 nm angegeben. 9 shows the meridonal and sagittal wavefront aberration for selected field points on the detector line, ie in the image plane. The aberrations in 9 are given in units of the reference wavelength of 500 nm.

In 10 ist die meridonale Wellenfrontaberration für ausgewählte Feldpunkte in der Zwischenbildebene, d. h. am Spalt angegeben. Auch hier ist lediglich die meridionale Queraberration (für den y-Strahl) relevant. Auch in 10 sind die Einheiten der Aberration in Einheiten der Bezugswellenlänge von 500 nm angegeben.In 10 is the meridonal wavefront aberration for selected field points in the intermediate image plane, ie indicated at the gap. Again, only the meridional transverse aberration (for the y-ray) is relevant. Also in 10 the units of aberration are given in units of reference wavelength of 500 nm.

Wie aus den optischen Daten in den 7 bis 10 ersichtlich handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Spiegelsystem um ein System das sehr gute Abbildungseigenschaften aufweist. Das Spiegelsystem kann in einem weiten Wellenlängenbereich in zeilenweise scannenden Abbildungssystem als Detektions- und Blendenoptik eingesetzt werden, insbesondere zur Abbildung eines linienförmigen Objektes auf ein Detektionssystem, wobei durch die Ausbildung eines Zwischenbildes in wenigstens einer Richtung eine Pinhole-Anordnung ausgebildet wird.As from the optical data in the 7 to 10 It can be seen that the mirror system according to the invention is a system which has very good imaging properties. The mirror system can be used in a wide wavelength range in line scanning imaging system as a detection and aperture optics, in particular for imaging a linear object on a detection system, wherein formed by the formation of an intermediate image in at least one direction, a pinhole arrangement becomes.

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- WO 2007/031271 [0004, 0004, 0005, 0005, 0005, 0020, 0020] - WO 2007/031271 [0004, 0004, 0005, 0005, 0005, 0020, 0020]
- WO 2007/115596 [0004, 0004, 0005, 0005] - WO 2007/115596 [0004, 0004, 0005, 0005]
- WO 2007/115597 [0004, 0004, 0005, 0005] - WO 2007/115597 [0004, 0004, 0005, 0005]
- DE 102006043251 A1 [0005] DE 102006043251 A1 [0005]
- WO 03/096356 [0006, 0006] WO 03/096356 [0006, 0006]
- DE 102004034993 [0007, 0007, 0008, 0009, 0010, 0013, 0036] - DE 102004034993 [0007, 0007, 0008, 0009, 0010, 0013, 0036]
- DE 102004034993 A1 [0012] - DE 102004034993 A1 [0012]

Claims

Katoptrisches Objektiv zur Abbildung eines im Wesentlichen linienförmigen Objektes mit einem Aspektverhältnis größer als 1:50, insbesondere größer als 1:100 in einem Bildverhältnis mit einem Aspektverhältnis größer als 1:50, insbesondere größer als 1:100, umfassend eine erste Spiegelgruppe, die das linienförmige Objektfeld wenigstens in einer Meridionalebene in ein Zwischenbild abbildet und einer zweiten Spiegelgruppe, die das Zwischenbild in ein Bildfeld abbildet, wobei wenigstens ein Spiegel der ersten und/oder der zweiten Spiegelgruppe ein Freiformspiegel ist.Catoptric lens for imaging a substantially line-shaped object with an aspect ratio greater than 1:50, especially greater than 1: 100 in an aspect ratio with an aspect ratio greater than 1:50, especially larger as 1: 100, comprising a first mirror group which is the linear one Object field at least in a Meridionalebene in an intermediate image and a second mirror group containing the intermediate image in image frame, wherein at least one mirror of the first and / or the second mirror group is a free-form mirror.

Katoptrisches Objektiv nach Anspruch 1, wobei das katoptrische Objektiv eine bildseitige numerische Apertur NA_Bildyz in einer Meridionalebene größer als 0,3, insbesondere größer als 0,4, bevorzugt größer als 0,5 aufweist.Catoptric lens according to claim 1, wherein the catoptric lens has a image-side numerical aperture NA _Bildyz in a Meridionalebene greater than 0.3, in particular greater than 0.4, preferably greater than 0.5.

Katoptrisches Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei das katoptrische Objektiv eine bildseitige numerische Apertur NA_Bildxz in einer Sagittalebene kleiner 0,2, insbesondere kleiner 0,1, ganz bevorzugt kleiner 0,05 ist aufweist.Catoptric lens according to one of claims 1 to 2, wherein the catoptric lens has a image-side numerical aperture NA _Bildxz in a sagittal plane less than 0.2, in particular less than 0.1, more preferably less than 0.05.

Katoptrisches Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das katoptrische Objektiv eine numerische Apertur NA_Spaltyz in einer Meridionalebene aufweist, die weniger als 0,1, bevorzugt weniger als 0,5, insbesondere bevorzugt weniger als 0,05, insbesondere weniger als 0,02 ist.A catoptric lens according to any one of claims 1 to 3, wherein the catoptric lens has a numerical aperture NA _Spaltyz in a meridional plane which is less than 0.1, preferably less than 0.5, more preferably less than 0.05, more preferably less than 0 , 02 is.

Katoptrisches Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das katoptrische Objektiv eine Verzeichnung in der Bildebene aufweist, die weniger als 5 Promille, insbesondere weniger als 1 Promille, bevorzugt weniger als 0,5 Promille in x-Richtung und weniger als 10 Promille, bevorzugt weniger als 5 Promille, ganz besonders weniger als 3 Promille in y-Richtung istCatoptric lens according to one of the claims 1 to 4, wherein the catoptric lens distortion in the Image level, the less than 5 per thousand, especially less as 1 parts per thousand, preferably less than 0.5 parts per thousand in the x direction and less than 10 parts per thousand, preferably less than 5 parts per thousand, whole especially less than 3 per thousand in the y-direction

Katoptrisches Objektiv nach einem der Anspüche 1 bis 5, wobei die Verzeichnung in einer Ebene, in der das Zwischenbild zu liegen kommt weniger als 1000 nm, bevorzugt weniger als 500 nm, insbesondere weniger als 250 nm beträgt.Catoptric lens after one of the claims 1 to 5, wherein the distortion in a plane in which the intermediate image is less than 1000 nm, preferably less than 500 nm, especially less than 250 nm.

Katoptrisches Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Freiformfläche durch eine Polynomentwicklung mit Zernike-Polynomen erhalten wird.Catoptric lens according to one of the claims 1 to 6, wherein the freeform surface by a polynomial winding obtained with Zernike polynomials.

Katoptrisches Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Freiformfläche eine Splinefläche ist, die durch nachfolgendes Verfahren erhalten wird: – es wird eine vorgegebene Anzahl von Aufpunkten ausgewählt, – es wird ein Referenzparameter zur mathematischen Flächenkonstruktion am Ort dieser Aufpunkte vorgegeben, – es wird ein Oberflächenabschnitt der optischen Oberfläche zwischen benachbarten Aufpunkten durch jeweils eine eigene zwischen den Aufpunkten definierte Funktion vorgegeben, wobei am Ort der Aufpunkte, also dort, wo die durch verschiedene Funktionen definierten Oberflächen aneinander grenzen, durch Variation der Funktionen einen stetig differenzierbaren Übergang erreichen.Catoptric lens according to one of the claims 1 to 6, wherein the freeform surface is a spline surface that is obtained by the following procedure: - it if a given number of points is selected, - it becomes a reference parameter for mathematical surface construction given at the place of these Aufpunkte, - it will be a Surface portion of the optical surface between adjacent Aufpunkte by their own between given the Aufpunkte defined function, where at the place of Aufpunkte, that is, where the surfaces defined by different functions contiguous, by varying the functions a continuous reach differentiable transition.

Katoptrisches Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Freiformfläche mathematische durch Monome nachfolgender Gleichung:

beschrieben werden, wobei j: der laufende Index der Summe, der mit den Indizes m und n wie angegeben verbunden ist, α eine ganze Zahl ist, z: die Durchbiegung parallel zur z-Achse des lokalen Koordiantensystems ist, c: eine Kostante die der Vertexkrümmung entspricht, ist, k eine konische Konstante, und C_j die Koeffizienten der Monome x^myⁿ sind.A catoptric lens according to any one of claims 1 to 6, wherein the free-form surface is mathematical by monomes the following equation:

where j: is the current index of the sum associated with the indices m and n as indicated, α is an integer, z: the deflection is parallel to the z-axis of the local coordinate system, c: a cost of the Vertex curvature, k is a conic constant, and C _{j are} the coefficients of the monomials x ^m y ⁿ .

Katoptrisches Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die erste Spiegelgruppe maximal zwei Spiegel umfasst.Catoptric lens according to one of the claims 1 to 9, wherein the first mirror group comprises a maximum of two mirrors.

Katoptrisches Objektiv nach Anspruch 10, wobei die erste Spiegelgruppe genau zwei Spiegel umfasst.The catoptric lens of claim 10, wherein the first mirror group comprises exactly two mirrors.

Katoptrisches Objektiv nach einem der Ansprüche 10 bis 11, wobei wenigstens ein Spiegel der ersten Spiegelgruppe eine Freiformfläche umfasst.Catoptric lens according to one of the claims 10 to 11, wherein at least one mirror of the first mirror group includes a freeform surface.

Katoptrisches Objektiv nach einem der Ansprüche 11 bis 12, wobei alle Spiegel der ersten Spiegelgruppe eine Freiformfläche umfassen.Catoptric lens according to one of the claims 11 to 12, wherein all mirrors of the first mirror group a freeform surface include.

Katoptrisches Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die zweite Spiegelgruppe maximal zwei Spiegel umfasst.Catoptric lens according to one of the claims 1 to 13, wherein the second mirror group comprises a maximum of two mirrors.

Katoptrisches Objektiv nach Anspruch 14, wobei die zweite Spiegelgruppe genau zwei Spiegel umfasst.A catoptric lens according to claim 14, wherein said second mirror group includes exactly two mirrors.

Katoptrisches Objektiv nach einem der Ansprüche 14 bis 15, wobei wenigstens ein Spiegel der zweiten Spiegelgruppe eine Freiformfläche umfasst.A catoptric lens according to any one of claims 14 to 15, wherein at least one mirror of the second mirror group includes a freeform surface.

Katoptrisches Objektiv nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei alle Spiegel der zweiten Spiegelgruppe eine Freiformfläche umfassen.Catoptric lens according to one of the claims 14-16, wherein all the mirrors of the second mirror group form a freeform surface include.

Zeilenweise abtastendes Abbildungssystem, insbesondere Lichtrastermikroskop mit einem katoptrischen Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 17 zur Abbildung eines linienförmigen Objektfeldes auf einen ortsauflösenden Detektor.Line scan imaging system, in particular Scanning microscope with a catoptric lens after one of claims 1 to 17 for imaging a linear Object field on a spatially resolving detector.

Zeilenweise abtastendes Abbildungssystem gemäß Anspruch 18, insbesondere Lichtrastermikroskop, wobei der ortsauflösende Detektor ein Zeilendetektor ist.Line scan imaging system according to claim 18, in particular light scanning microscope, wherein the spatially resolving Detector is a line detector.