DE102017208580A1

DE102017208580A1 - Baugruppe zur Wellenlängenfilterung elektromagnetischer Strahlung in einem optischen System

Info

Publication number: DE102017208580A1
Application number: DE102017208580.0A
Authority: DE
Inventors: Markus Degünther; Hubert Holderer
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2017-05-22
Filing date: 2017-05-22
Publication date: 2018-06-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Baugruppe zur Wellenlängenfilterung elektromagnetischer Strahlung in einem optischen System, mit einer ersten optischen Anordnung (110), welche auftreffende elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge kleiner ist als ein erster Grenzwert, aus dem optischen Nutzstrahlengang herauslenkt, und einer zweiten optischen Anordnung (120), welche auftreffende elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge größer ist als ein zweiter Grenzwert, aus dem optischen Nutzstrahlengang herauslenkt, wobei der zweite Grenzwert größer ist als der erste Grenzwert, wobei die erste optische Anordnung (110) und die zweite optische Anordnung (120) im optischen Strahlengang hintereinander angeordnet sind, und wobei das Herauslenken der elektromagnetischen Strahlung sowohl an der ersten optischen Anordnung (110) als auch an der zweiten optischen Anordnung (120) jeweils auf Basis von Totalreflexion erfolgt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Baugruppe zur Wellenlängenfilterung elektromagnetischer Strahlung in einem optischen System.
Stand der Technik
In diversen optischen Anwendungen besteht der Bedarf, elektromagnetische Strahlung abhängig von der jeweiligen Wellenlänge aufzuspalten bzw. je nach Wellenlänge aus dem optischen Nutzstrahlengang herauszufiltern. Hierzu zählen insbesondere Anwendungen der wellenlängenaufgelösten Analyse von Objekten, welche das Spektrum auftreffender elektromagnetischer Strahlung entsprechend den jeweiligen Objekteigenschaften modifizieren, wobei auf Basis dieser Modifikation z.B. auf die chemische Zusammensetzung und/oder die Struktur der untersuchten Objekte rückgeschlossen wird.
Bekannte Ansätze zur Realisierung der o.g. wellenlängenabhängigen Separation bzw. Farbfilterung basieren insbesondere auf dem Effekt der Dispersion und nutzen z.B. eine wellenlängenabhängige Beugung oder wellenlängenabhängige Brechung der elektromagnetischen Strahlung zur räumlichen Trennung der Strahlungsanteile unterschiedlicher Wellenlängen, wobei der jeweils unerwünschte Anteil des Spektrums beispielsweise mit Hilfe einer variablen Blende geblockt bzw. aus dem Nutzstrahlengang herausgefiltert werden kann.
Diese räumliche Trennung geht jedoch, wie in der lediglich schematischen und stark vereinfachten Darstellung von 5 angedeutet, ohne weitere Maßnahmen mit einer unerwünschten Strahlaufweitung und damit einer Erhöhung des geometrischen Lichtleitwertes einher. Dabei bezeichnet „510“ in 5 den jeweils durch die elektromagnetische Strahlung vor deren spektraler Aufweitung ausgeleuchteten Bereich, wohingegen mit „520“ der entsprechende Bereich nach spektraler Aufweitung und Trennung in unterschiedliche Wellenlängenbereiche bezeichnet ist.
Um die vorstehend beschriebene und je nach konkreter Anwendung unerwünschte Strahlaufweitung zu vermeiden, kann gemäß der schematischen Darstellung von 6 eine optische Anordnung verwendet werden, in welcher zunächst über ein Prisma 601 unter Ausnutzung der Dispersion eine Winkelaufspaltung erzeugt wird, die über eine nachgeschaltete Fourier-Optik 602 in eine räumliche Separation in einer Blendenebene transformiert wird. In dieser Blendenebene kann eine Eliminierung der elektromagnetischen Strahlung unerwünschter Wellenlängen unter Verwendung einer variablen Blende 603 erfolgen, woraufhin zur Zusammenführung der elektromagnetischen Strahlung eine zu der bezogen auf den Strahlengang vor der Blende 603 befindlichen Anordnung umgekehrte Anordnung aus Fourier-Optik 604 und Prisma 605 verwendet wird.
Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf DE 10 2009 016 631 A1 verwiesen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Baugruppe zur Wellenlängenfilterung elektromagnetischer Strahlung in einem optischen System bereitzustellen, welche die wellenlängenabhängige Separierung elektromagnetischer Strahlung unter „Herausfilterung“ von Strahlung unerwünschter Wellenlängen mit vergleichsweise kompakterem Aufbau und geringerem Fertigungsaufwand ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die Baugruppe gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Baugruppe zur Wellenlängenfilterung elektromagnetischer Strahlung in einem optischen System weist auf:

- eine erste optische Anordnung, welche auftreffende elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge kleiner ist als ein erster Grenzwert, aus dem optischen Nutzstrahlengang herauslenkt; und
- eine zweite optische Anordnung, welche auftreffende elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge größer ist als ein zweiter Grenzwert, aus dem optischen Nutzstrahlengang herauslenkt, wobei der zweite Grenzwert größer ist als der erste Grenzwert;
- wobei die erste optische Anordnung und die zweite optische Anordnung im optischen Strahlengang hintereinander angeordnet sind; und
- wobei das Herauslenken der elektromagnetischen Strahlung sowohl an der ersten optischen Anordnung als auch an der zweiten optischen Anordnung jeweils auf Basis von Totalreflexion erfolgt.

Die „Hintereinander-Anordnung“ der zweiten und der ersten optischen Anordnung im optischen Strahlengang ist so zu verstehen, dass die erste optische Anordnung bezogen auf den optischen Strahlengang wahlweise vor oder auch nach der zweiten optischen Anordnung platziert sein kann.
Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, eine wellenlängenabhängige Separierung elektromagnetischer Strahlung (unter „Herausfilterung“ von Strahlung unerwünschter Wellenlängen) dadurch zu realisieren, dass unter Nutzung des Effekts der Totalreflexion im Ergebnis Wellenlängenbereiche des Spektrums, die ober- und unterhalb eines letztlich gewünschten Wellenlängenintervalls liegen, aus dem Nutzstrahlengang eliminiert werden. Diese „Spektrometerfunktion“ im Sinne der Selektierung eines gewünschten Wellenlängenbandes wird dabei ohne Einführung von Brechkraft im optischen Strahlengang erreicht, was wiederum wie im Weiteren erläutert vorteilhaft zur Vereinfachung des optischen Aufbaus sowie auch zur Minimierung eines im optischen System stattfindenden Transmissionsverlustes genutzt werden kann.
Hierbei geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass die in einem für die elektromagnetische Strahlung jeweils hinreichend transparenten Material bestehende Dispersion, also die vorhandene Wellenlängenabhängigkeit der Brechzahl, dazu führt, dass der Grenzwinkel der Totalreflexion, welche beim Übergang aus dem betreffenden Material (als optisch dichterem Medium) in ein das betreffende Material umgebendes Medium stattfindet, ebenfalls von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung abhängig ist.
Konkret wird z.B. für unter einem bestimmten Winkel auf das betreffende Material auftreffende elektromagnetische Strahlung für höhere Brechzahlen (entsprechend einer geringeren Wellenlänge, z.B. blaues Licht) totalreflektiert, wohingegen für niedrigere Brechzahlen (entsprechend einer höheren Wellenlänge, z.B. gelbes oder rotes Licht) die elektromagnetische Strahlung transmittiert wird. Dieser Effekt wird erfindungsgemäß wiederum dahingehend genutzt, dass in zwei aufeinanderfolgenden optischen Anordnungen an einer dieser Anordnungen der totalreflektierte (eine Wellenlänge unterhalb eines ersten Grenzwertes aufweisende) Anteil aus dem Nutzstrahlengang eliminiert wird, und an der anderen dieser Anordnungen der transmittierte (eine Wellenlänge oberhalb eines zweiten Grenzwertes aufweisende) Anteil aus dem Nutzstrahlengang eliminiert wird.
Mit anderen Worten erfolgt erfindungsgemäß bezogen auf das gesamte Wellenlängenspektrum eine zweimalige Unterteilung in jeweils zwei Halbräume, wobei das in diesen Halbräumen überlappende Wellenlängenband die gewünschten, im optischen Nutzstrahlengang verbleibenden Wellenlängen umfasst.
Im Ergebnis verbleibt so lediglich elektromagnetische Strahlung im gewünschten, hinsichtlich der Wellenlänge zwischen dem ersten und dem zweiten Grenzwert liegenden Spektralband, ohne dass hierzu der Einsatz zusätzlicher brechender Elemente bzw. eine Strahlaufweitung erforderlich sind, wodurch (etwa im Vergleich zu dem eingangs anhand von 6 beschriebenen Ansatz) ein kompakterer Aufbau und ein geringerer Fertigungsaufwand ermöglicht wird.
Somit erfolgt erfindungsgemäß zwar eine Ausnutzung der Dispersion, jedoch nicht etwa unter Erzeugung einer unerwünschten Winkelaufspaltung, sondern stattdessen unter Nutzung des Effektes der Totalreflexion.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus ist eine (etwa im Vergleich zu dem eingangs anhand von 6 beschriebenen Ansatz) aufgrund der geringeren Anzahl erforderlicher optischer Elemente und dem somit reduzierten Materialweg erhöhte Gesamttransmission durch das optische System, wobei dieser Effekt vor allem bei vergleichsweise geringen Wellenlängen infolge der dann zunehmenden Absorption im jeweiligen Material der optischen Komponenten, also insbesondere im UV-Bereich, zunehmend relevant wird.
Die erfindungsgemäße Baugruppe kann prinzipiell in beliebigen Anwendungen, in denen die Selektierung eines gewünschten Wellenlängenbandes gewünscht ist, vorteilhaft eingesetzt werden, beispielsweise zur wellenlängenaufgelösten Analyse von Objekten. Hierzu zählt lediglich beispielhaft auch die Maskeninspektion von Lithographiemasken.
Gemäß einer Ausführungsform sind wenigstens eine Eintrittsfläche und wenigstens eine Austrittsfläche der ersten optischen Anordnung und/oder wenigstens eine Eintrittsfläche und wenigstens eine Austrittsfläche der zweiten optischen Anordnung parallel zueinander angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform sind wenigstens eine Eintrittsfläche und wenigstens eine Austrittsfläche der ersten optischen Anordnung und/oder wenigstens eine Eintrittsfläche und wenigstens eine Austrittsfläche der zweiten optischen Anordnung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung angeordnet.
Dadurch, dass die elektromagnetische Strahlung keinen oder nur einen geringen Winkel mit der jeweiligen Oberflächennormalen der Ein- bzw. Austrittsfläche einschließt, kann eine erfindungsgemäß unerwünschte Winkelaufspaltung der elektromagnetischen Strahlung vermieden bzw. minimiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die erste optische Anordnung und die zweite optische Anordnung jeweils wenigstens ein Prisma auf.
Gemäß einer Ausführungsform sind diese Prismen, vorzugsweise um eine zur Ausbreitungsrichtung der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung senkrechte Achse, drehbar. Auf diese Weise kann eine Variation des Anstellwinkels der Primen hinsichtlich der elektromagnetischen Strahlung erfolgen, um hinsichtlich des Wellenlängenspektrums den Bereich, in welchem Totalreflexion erfolgt, je nach Wunsch einstellen zu können.
Gemäß einer Ausführungsform weisen die erste optische Anordnung und die zweite optische Anordnung jeweils eine Mehrzahl von quer zur Ausbreitungsrichtung der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung nebeneinander angeordneten Prismen auf. Die Ausgestaltung mit einer solchen Mehrzahl von Prismen hat im Vergleich zum (prinzipiell ebenfalls möglichen) Einsatz nur eines einzigen Prismas mit vergleichsweise größeren Abmessungen den Vorteil, dass der Lichtweg im Prismenmaterial und damit der stattfindende Transmissionsverlust verringert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform weist die erste optische Anordnung wenigstens ein Doppelprisma auf, welches aus zwei durch einen Spalt voneinander separierten Prismen gebildet ist. In einer solchen Anordnung wird z.B. durch das jeweils bezogen auf den optischen Strahlengang zweite Prisma innerhalb des betreffenden Doppelprismas eine für voneinander verschiedene Wellenlängen unterschiedliche Ablenkung, die zuvor auf Seiten des ersten Prismas erfolgt ist, wieder rückgängig gemacht mit der Folge, dass relativ zum Strahldurchmesser lediglich ein vergleichsweise geringer Strahlversatz bei Austritt aus dem jeweiligen Doppelprisma verbleibt (wobei der Strahlversatz beispielsweise weniger als 1%, insbesondere weniger als 0.1%, des Strahldurchmessers betragen kann).
Gemäß einer Ausführungsform besitzt der Spalt eine Spaltdicke von maximal 120µm, insbesondere von maximal 60pm. Solche vergleichsweise geringe Abmessungen des Spaltes haben den Vorteil, dass eine mit der erfindungsgemäß genutzten Dispersion einhergehende „Ausschmierung“ des Strahls relativ zum Strahldurchmesser der elektromagnetischen Strahlung gering ist, wobei ein gegebenenfalls noch verbleibender „Farbsaum“ infolge des unterschiedlichen Strahlversatzes für unterschiedliche Wellenlängen erforderlichenfalls mit einer Blende eliminiert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform weist die erste optische Anordnung eine Mehrzahl solcher, jeweils quer zur Ausbreitungsrichtung der auftreffenden elektromagnetischen Strahlen nebeneinander angeordneter Doppelprismen auf. Auch hier hat die Ausgestaltung mit einer Mehrzahl von Doppelprismen im Vergleich zum (prinzipiell ebenfalls möglichen) Einsatz nur eines einzigen Doppelprismas mit vergleichsweise größeren Abmessungen den Vorteil, dass der Lichtweg im Prismenmaterial und damit der stattfindende Transmissionsverlust verringert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform weist die zweite optische Anordnung wenigstens ein Parallelogramm-Prisma, insbesondere eine Mehrzahl von jeweils quer zur Ausbreitungsrichtung der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung nebeneinander angeordneten Parallelogramm-Prismen, auf.
Die Erfindung betrifft weiter eine Baugruppe zur Wellenlängenfilterung elektromagnetischer Strahlung in einem optischen System, mit einem Prisma, welches auftreffende elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge größer ist als ein Grenzwert, aus dem optischen Nutzstrahlengang herauslenkt, wobei das Herauslenken der elektromagnetischen Strahlung auf Basis von Totalreflexion erfolgt.
Gemäß einer Ausführungsform ist dieses Prima ein gleichseitiges Prisma.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Baugruppe weiter ein zweites Prisma auf, welches derart angeordnet ist, dass dispersionsbedingt nach dem ersten Prima auseinanderlaufende Teilstrahlen in einem Lichtstrahl kombiniert werden.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Figurenliste
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Baugruppe in einer Ausführungsform;
2 ein Diagramm zur weiteren Erläuterung des Funktionsprinzips der erfindungsgemäßen Baugruppe von 1;
3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Baugruppe in einer weiteren Ausführungsform;
4a-b schematische Darstellungen zur Erläuterung weiterer möglicher Ausführungsformen;
5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines bei einer Wellenlängenfilterung gemäß dem Stand der Technik auftretenden Problems; und
6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus einer Baugruppe zur Wellenlängenfilterung gemäß dem Stand der Technik.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Weiteren wird zunächst der Aufbau einer erfindungsgemäßen Baugruppe zur Wellenlängenfilterung elektromagnetischer Strahlung in einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die schematische Darstellung von 1 erläutert.
Gemäß 1 weist eine erfindungsgemäße Baugruppe zur Wellenlängenfilterung eine erste optische Anordnung 110 sowie eine zweite optische Anordnung 120 auf, welche im optischen Strahlengang hintereinander angeordnet sind. Die erste optische Anordnung 110 weist eine Mehrzahl von Doppelprismen auf, von denen der Einfachheit halber in 1 lediglich drei Doppelprismen 111, 112, 113 dargestellt sind. Diese Doppelprismen 111, 112, 113 umfassen jeweils zwei durch einen Spalt 115 voneinander separierte Prismen, die sich in die Zeichenebene hinein (d.h. bezogen auf das angegebene Koordinatensystem in x-Richtung) erstrecken, also lediglich entsprechend ihrer Aneinanderreihung ein eindimensionales Array bilden, welches (wie durch die eingezeichneten Pfeile angedeutet) um eine senkrecht zur Zeichenebene bzw. senkrecht zur y-z-Ebene verlaufende Achse drehbar ist.
Die betreffenden Doppelprismen 111, 112, 113 sind aus einem für elektromagnetische Strahlung des Arbeitswellenlängenbereichs hinreichend transparenten Material hergestellt. Im Ausführungsbeispiel bestehen die Doppelprismen aus Magnesiumfluorid (MgF₂), welches eine hinreichende Transparenz bis hinab zu Wellenlängen von ca. 120nm besitzt.
Die zweite optische Anordnung 120 weist eine Mehrzahl von Parallelogramm-Prismen auf, von den wiederum der Einfachheit halber lediglich drei Parallelogramm-Prismen 121, 122, 123 dargestellt sind und die sich ebenfalls in die Zeichenebene hinein bzw. entlang der x-Richtung erstrecken, wobei sie entsprechend ihrer Aneinanderreihung gleichfalls ein eindimensionales Array bilden. Auch die Parallelogramm-Prismen 121-123 sind analog zu den Doppelprismen 111-113 der ersten optischen Anordnung 110 aus einem im Arbeitswellenlängenbereich hinsichtlich transparenten Material (z.B. Magnesiumfluorid, MgF₂) hergestellt. Des Weiteren ist auch die durch die Parallelogramm-Prismen 121-123 gebildete zweite optische Anordnung 120 um eine senkrecht zur Zeichenebene verlaufende bzw. zur x-Achse parallele Achse drehbar.
Im Betrieb der Baugruppe gemäß 1 trifft nun elektromagnetische Strahlung 101 auf die erste Baugruppe 110 und durchläuft zunächst jeweils ein erstes Prisma der Doppelprismen 111-113, bis sie an der jeweiligen Austrittsfläche bzw. dem Übergang zum Spalt 115 abhängig von der Wellenlänge entweder totalreflektiert oder transmittiert wird. Dabei werden lediglich diejenigen Wellenlängen transmittiert, für welche die von der Wellenlänge abhängige Brechzahl klein genug ist, um an der entsprechenden Lichtaustrittsfläche des jeweiligen Prismas (entsprechend der Hypotenuse des betreffenden Dreiecks) nicht totalreflektiert zu werden.
Der eine Totalreflexion erfahrende Anteil der elektromagnetischen Strahlung (mit hinreichend kleiner Wellenlänge) ist mit „102“ bezeichnet und wird gemäß 1 aus dem Nutzstrahlengang herausgelenkt. Was dagegen den wie vorstehend beschrieben transmittierten Anteil der elektromagnetischen Strahlung betrifft, so gelangt dieser über den Spalt 115 und jeweils ein zweites Prisma der Doppelprismen 111-113 mit einem lediglich sehr geringen Strahlversatz bis zur zweiten optischen Anordnung 120.
Der Einfachheit halber kann z.B. angenommen werden, dass es sich bei dem wie vorstehend beschrieben in der ersten Anordnung totalreflektierten Anteil 102 der elektromagnetischen Strahlung um blaues Licht handelt und dementsprechend lediglich noch rotes und gelbes Licht (dessen Wellenlänge für eine Totalreflexion in der ersten optischen Anordnung 110 zu groß ist) zur zweiten optischen Anordnung 120 gelangt. Dieser verbleibende Anteil der elektromagnetischen Strahlung (d.h. das rote und gelbe Licht) tritt in die Parallelogramm-Prismen 121-123 der zweiten optischen Anordnung 120 gemäß 1 senkrecht ein und wird an jeweils einer Lichtaustrittsfläche der Parallelogramm-Prismen 121-123 wiederum abhängig von der Wellenlänge totalreflektiert oder transmittiert.
Im Unterschied zur ersten optischen Anordnung 110 verbleibt jedoch hier nicht der transmittierte Anteil 103 sondern der totalreflektierte Anteil 104 im optischen Nutzstrahlengang, wohingegen der transmittierte Anteil gemäß 1 aus dem optischen Nutzstrahlengang herausgelenkt und somit eliminiert wird.
Im Ergebnis verbleibt somit nur elektromagnetische Strahlung im Nutzstrahlengang, deren Wellenlänge zum einen größer als ein durch die erste Baugruppe 110 definierter Grenzwert und zum anderen kleiner als ein durch die zweite Baugruppe 120 definierter Grenzwert ist. Im vereinfachten Beispiel wird angenommen, dass es sich bei dem aus dem optischen Nutzstrahlengang herausgelenkten Anteil 103 der elektromagnetischen Strahlung um das rote Licht handelt, so dass lediglich noch das gelbe Licht als Anteil 104 im Nutzstrahlengang verbleibt.
Im Ergebnis gilt also für das Wellenlängenspektrum der infolge der Baugruppe im Nutzstrahlengang verbleibenden elektromagnetischen Strahlung λ₁ < λ < λ₂, wobei λ₁ den ersten Grenzwert und λ₂ den zweiten Grenzwert der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung bezeichnen.
Durch die bereits erwähnte mögliche Verdrehung der ersten optischen Anordnung 110 und der zweiten optischen Anordnung 120 kann der Wellenlängenbereich der jeweils im optischen Nutzstrahlengang verbleibenden elektromagnetischen Strahlung variiert werden, wobei hierzu lediglich Verdrehungen der jeweiligen, die Anordnungen 110, 120 bildenden Arrays um geringe Winkel von z.B. wenigen Grad erforderlich sind.
2 zeigt für unterschiedliche Kombinationen von Verdrehwinkeln der ersten optischen Anordnung 110 und der zweiten optischen Anordnung 120 den wellenlängenabhängigen Verlauf der spektralen Transmission durch beide Anordnungen 110, 120. Dabei entspricht ein Verdrehwinkel von 0° jeweils einem senkrechten Auftreffen der einfallenden elektromagnetischen Strahlung auf die jeweilige Lichteintrittsfläche der ersten bzw. zweiten optischen Anordnung 110, 120. Kurve „A“ entspricht einem Verdrehwinkel der ersten optischen Anordnung 110 von -5° bei einem Verdrehwinkel der zweiten optischen Anordnung 120 von -2°, Kurve „B“ entspricht einem Verdrehwinkel der ersten optischen Anordnung 110 von -3° bei einem Verdrehwinkel der zweiten optischen Anordnung 120 von +2.125° und Kurve „C“ entspricht einem Verdrehwinkel der ersten optischen Anordnung 110 von -2° bei einem Verdrehwinkel der zweiten optischen Anordnung 120 von +3.5°.
Der vorstehend beschriebene Aufbau sowohl der ersten optischen Anordnung 110 als auch der zweiten optischen Anordnung 120 in Form eindimensionaler Arrays aus aneinandergereihten (Doppel- bzw. Parallelogramm-) Prismen hat den Vorteil, dass der benötigte Lichtweg durch das betreffende Material hindurch relativ kurz ist im Vergleich zu einer (prinzipiell ebenfalls möglichen) Ausbildung jeder der Anordnungen 110, 120 aus jeweils nur einem (Doppel- bzw. Parallelogramm-) Prisma. Hierdurch kann wiederum der mit dem Materialdurchtritt der elektromagnetischen Strahlung unvermeidliche Transmissionsverlust verringert sowie auch eine Materialersparnis erzielt werden.
Der innerhalb der Doppelprismen 111-113 der ersten optischen Anordnung 110 verlaufende Spalt 115 weist vorzugsweise eine nur geringe Spaltdicke auf, um eine mit dem Austritt der elektromagnetischen Strahlung aus dem jeweiligen ersten Prisma der Doppelprismen 111-113 einhergehende Winkelaufspaltung nach Möglichkeit zu minimieren. Im Ausführungsbeispiel kann die Spaltdicke z.B. 50pm betragen.
Im Ergebnis wird die erfindungsgemäße Wellenlängenfilterung (im Sinne des Verbleibs lediglich der elektromagnetischen Strahlung) innerhalb des Wellenlängenbandes λ₁ < λ< λ₂ ohne Brechkraft und lediglich unter Ausnutzung des Effekts der Totalreflexion erreicht. Hierdurch wird wiederum eine erhebliche Reduzierung des Fertigungs- und Kostenaufwandes sowie eine kompaktere Bauweise bei vergleichsweise geringem Gewicht ermöglicht. Des Weiteren kann aufgrund des geringeren Materialweges der elektromagnetischen Strahlung eine Steigerung der gesamten Systemtransmission erzielt werden.
Ein weiterer, je nach konkreter Anwendung resultierender Vorteil besteht in dem Wegfall des Erfordernisses einer geknickten Strahlführung bzw. optischen Achse, da die Lichtaustrittsrichtung gemäß 1 nach Austritt aus der zweiten optischen Anordnung 120 der Lichteintrittsrichtung der elektromagnetischen Strahlung vor Eintritt in die erste optische Anordnung 110 entspricht. Die Erfindung ist jedoch hierauf nicht beschränkt, so dass auch Ausführungen mit umgelenkter bzw. geknickter optischer Achse von der Erfindung umfasst sein sollen.
3 zeigt hierzu lediglich beispielhaft eine alternative Ausgestaltung der zweiten optischen Anordnung 320, wobei hier eine Umlenkung der optischen Achse um 90° erfolgt. Der einfallende Strahl 301 weist zur (mit „OA“ bezeichneten) optischen Achse jedoch weiterhin den gleichen Winkel auf wie der aus der zweiten optischen Anordnung 320 austretende Strahl 302 zu der entsprechend umgelenkten bzw. geknickten optischen Achse.
4a-b zeigt weitere mögliche Ausführungsformen, bei welchen analog zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ebenfalls eine wellenlängenabhängige Separierung elektromagnetischer Strahlung unter „Herausfilterung“ von Strahlung unerwünschter Wellenlängen erfolgt. Im Unterschied zur Ausführungsform von 1 wird hier jedoch nur ein Wellenlängenbereich des Spektrums, welcher oberhalb eines gewünschten Schwellenwerts der Wellenlänge liegt, aus dem Nutzstrahlengang eliminiert (d.h. im Unterschied zu 1 erfolgt keine Selektierung eines durch zwei Schwellenwerte begrenzten Wellenlängenbandes).
Gemäß 4a-b tritt im Ausführungsbeispiel die elektromagnetische Strahlung mit einem Wellenlängenbereich von 120nm bis mehr als 1000nm in ein Prisma 410 (dessen Seitenflächen mit „410a“ bis „410c“ bezeichnet sind) unter einem auf das Lot zur Seitenfläche 410a bezogenen Winkel α ein. Der Winkel α₁ innerhalb des Prismenmaterials (im Beispiel Magnesiumfluorid, MgF₂) nimmt mit wachsendem Brechungsindex (und damit kleinerer Wellenlänge) ab. Infolge dessen tritt an der zweiten Seitenfläche 410b des Prismas 410 ab einem bestimmten Wert des Brechungsindex und damit auch unterhalb einer bestimmten Wellenlänge Totalreflexion auf, wobei lediglich die elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb des betreffenden Schwellenwertes aus dem Prisma 410 an der zweiten Seitenfläche 410b unter einem Winkel α₃ austritt.
Die „kurzwellige“, d.h. eine Wellenlänge unterhalb des besagten Schwellenwertes aufweisende elektromagnetische Strahlung wird an der zweiten Seitenfläche 410b totalreflektiert und tritt an der dritten Seitenfläche 410c aus dem Prisma 410 (infolge des vergleichsweise kleineren Auftreffwinkels α₄ an der Seitenfläche 410c) unter einem Winkel α₅ zum Lot aus. In diesem Bereich sind jedoch die Strahlungsanteile unterschiedlicher Wellenlänge versetzt. Je kürzer die optische Weglänge im Prisma 410 ist, desto kleiner ist dieser Strahlversatz. Im dargestellten Ausführungsbeispiel eines 60°-Prismas (d.h. einem gleichseitigen Prisma 410 mit einem Prismenwinkel (β=60°) sind die Strahlungsanteile unterschiedlicher Wellenlänge beim Austritt aus dem Prisma 410 zueinander parallel.
Der vorstehend genannte Schwellenwert kann lediglich beispielhaft 450nm betragen, um - z.B. für ein Maskeninspektionssystem für Lithographiemasken - UV-Licht im Wellenlängenbereich von 120nm bis 450nm zur Verfügung zu stellen und das vergleichsweise langwelligere Licht wie vorstehend beschrieben herauszufiltern.
Die Baugruppe gemäß 4b weist zusätzlich zu dem ersten Prisma 410 ein zweites Prisma 420 auf, wobei dieses zweite Prisma 420 die Funktion hat, das vorstehend beschriebene, dispersionsbedingte Auseinanderlaufen der Teilstrahlen bzw. einen Farbversatz nach dem ersten Prisma 410 zu kompensieren bzw. rückgängig zu machen.
Das zweite Prisma 420 gemäß 4b (mit Seitenflächen 420a, 420b und 420c) weist zum ersten Prisma 410 identische Abmessungen auf. Die optische Weglänge innerhalb des zweiten Prismas 420 entspricht derjenigen im ersten Prisma 410, und der Strahlengang im zweiten Prisma 420 entspricht einer Umkehrung des Strahlengangs im ersten Prisma 410 mit der Folge, dass die dispersionsbedingt nach dem ersten Prima 410 auseinanderlaufenden Teilstrahlen wieder zusammenlaufen und in einem Lichtstrahl kombiniert werden. Dieser Lichtstrahl tritt aus der Seitenfläche 420a des zweiten Prismas 420 aus. Der Abstand der beiden Prismen 410, 420 ist frei wählbar.
Ein weiterer vorteilhafter Effekt des zweiten Prismas 420 besteht darin, dass gegebenenfalls an der Seitenfläche 410b des ersten Prismas noch reflektierte „langwellige Strahlung“ (d.h. elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge oberhalb des oben genannten Schwellenwerts) an der Seitenfläche 420b des zweiten Prismas wiederum nur zu einem vergleichsweise geringen Anteil reflektiert wird (wobei etwa bei einem Reflexionsgrad von 2% an der Seitenfläche 410b lediglich 0,04% an der Seitenfläche 420b reflektiert wird). Hierdurch wird die Effizienz der Herausfilterung unerwünschter langwelliger Strahlung weiter erhöht.
Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009016631 A1 [0006]

Claims

Baugruppe zur Wellenlängenfilterung elektromagnetischer Strahlung in einem optischen System, mit • einer ersten optischen Anordnung (110), welche auftreffende elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge kleiner ist als ein erster Grenzwert, aus dem optischen Nutzstrahlengang herauslenkt; und • einer zweiten optischen Anordnung (120), welche auftreffende elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge größer ist als ein zweiter Grenzwert, aus dem optischen Nutzstrahlengang herauslenkt, wobei der zweite Grenzwert größer ist als der erste Grenzwert; • wobei die erste optische Anordnung (110) und die zweite optische Anordnung (120) im optischen Strahlengang hintereinander angeordnet sind; und • wobei das Herauslenken der elektromagnetischen Strahlung sowohl an der ersten optischen Anordnung (110) als auch an der zweiten optischen Anordnung (120) jeweils auf Basis von Totalreflexion erfolgt.
Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Eintrittsfläche und wenigstens eine Austrittsfläche der ersten optischen Anordnung (110) und/oder wenigstens eine Eintrittsfläche und wenigstens eine Austrittsfläche der zweiten optischen Anordnung (120) parallel zueinander angeordnet sind.
Baugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Eintrittsfläche und wenigstens eine Austrittsfläche der ersten optischen Anordnung (110) und/oder wenigstens eine Eintrittsfläche und wenigstens eine Austrittsfläche der zweiten optischen Anordnung (120) senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung angeordnet sind.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Anordnung (110) und die zweite optische Anordnung (120) jeweils wenigstens ein Prisma aufweisen.
Baugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese Prismen drehbar sind.
Baugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse dieser Drehung jeweils senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung verläuft.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Anordnung (110) und die zweite optische Anordnung (120) jeweils eine Mehrzahl von quer zur Ausbreitungsrichtung der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung nebeneinander angeordneten Prismen aufweisen.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Anordnung wenigstens ein Doppelprisma (111, 112, 113) aufweist, welches aus zwei durch einen Spalt (115) voneinander separierten Prismen gebildet ist.
Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (115) eine Spaltdicke von maximal 120µm, insbesondere von maximal 60pm, besitzt.
Baugruppe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste optische Anordnung (110) eine Mehrzahl solcher, jeweils quer zur Ausbreitungsrichtung der auftreffenden elektromagnetischen Strahlen nebeneinander angeordneter Doppelprismen (111, 112, 113) aufweist.
Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite optische Anordnung (120) wenigstens ein Parallelogramm-Prisma (121, 122, 123), insbesondere eine Mehrzahl von jeweils quer zur Ausbreitungsrichtung der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung nebeneinander angeordneten Parallelogramm-Prismen (121, 122, 123), aufweist.
Baugruppe zur Wellenlängenfilterung elektromagnetischer Strahlung in einem optischen System, mit wenigstens einem Prisma (410), welches auftreffende elektromagnetische Strahlung, deren Wellenlänge größer ist als ein Grenzwert, aus dem optischen Nutzstrahlengang herauslenkt, wobei das Herauslenken der elektromagnetischen Strahlung auf Basis von Totalreflexion erfolgt.
Baugruppe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Prima (410) ein gleichseitiges Prisma ist.
Baugruppe nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner ein zweites Prisma (420) aufweist, welches derart angeordnet ist, dass dispersionsbedingt nach dem ersten Prima (410) auseinanderlaufende Teilstrahlen in einem Lichtstrahl kombiniert werden.