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Die
Erfindung betrifft ein optisches System mit mindestens einem refraktiv
wirkenden optischen Element, das aufgrund von Materialspannungen
optisch doppelbrechend ist.
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Als
doppelbrechend bezeichnet man solche refraktive Materialien, bei
denen der Brechungsindex anisotrop ist. Dies hat zur Folge, daß für einen
hindurchtretenden Lichtstrahl der Brechungsindex von der Polarisation
des Lichtstrahls und von dessen Orientierung bezüglich des Materials abhängt. Im
allgemeinen wird unpolarisiertes Licht deswegen beim Hindurchtreten
durch ein doppelbrechendes Material in zwei Strahlen mit zueinander
orthogonaler Polarisation aufgeteilt.
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Die
Doppelbrechung optischer Materialien kann unterschiedliche Ursachen
haben. Von intrinsischer Doppelbrechung spricht man bei Materialien, die
eine anisotrope Kristallstruktur haben. Ein Beispiel hierfür sind uniaxiale
Kristalle wie etwa Kalkspat. Daneben können auch nichtkristalline
Materialien sowie Materialien mit isotroper Kristallstruktur optisch
doppelbrechend sein. Verursacht wird in diesen Fällen die Doppelbrechung durch
Störungen
der atomaren Nahordnung, wie sie beispielsweise durch von außen wirkende
mechanische Kräfte,
durch elektrische Felder oder durch magnetische Felder verursacht werden
können.
Häufig
verliert das Material seine doppelbrechende Eigenschaft wieder,
wenn die Ursachen für
die Störungen
der Nahordnung wegfallen. Werden beispielsweise durch eine Linsenfassungen
auf einen darin aufgenommenen Linsenkörper mechanische Kräfte ausgeübt, die
dort zu spannungsinduzierter Doppelbrechung führen, so verschwindet diese
im allgemeinen, sobald die Linsenfassung wieder entfernt wird.
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Bleiben
die durch externe Kräfte
hervorgerufenen Spannungen im Material bestehen, so kann dies zu
einer permanenten spannungsinduzierten Doppelbrechung führen. Ein
Beispiel hierfür
sind Rohlinge aus Quarzglas, wie sie für die Herstellung von Linsen
und anderen refraktiv wirkenden optischen Elementen verwendet werden.
Die dort gelegentlich auftretende spannungsindizierte Doppelbrechung
ist im allgemeinen herstellungsbedingt und weist meist eine zumindest
annähernd
rotationssymmetrische Abhängigkeit
des Betrags und der Orientierung der Doppelbrechung auf. Der Betrag
der Doppelbrechung wird dabei meist um so größer, je weiter entfernt von
der optischen Achse ein Strahl den Rohling durchtritt.
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In
vielen optischen Systemen ist die spannungsinduzierte Doppelbrechung
in den refraktiven optischen Elementen so gering, daß sie für die Abbildungseigenschaften
nicht nennenswert ins Gewicht fällt.
Bei optischen Systemen jedoch, an deren Abbildungseigenschaften
höchste
Ansprüche
gestellt werden, sind die Auswirkungen der spannungsindu zierten
Doppelbrechung nicht vernachlässigbar.
Ein Beispiel für
solche optische Systeme sind Projektionsobjektive mikrolithographischer
Projektionsbelichtungsanlagen. Derartige Anlagen werden dazu verwendet, um
hochintegrierte elektrische Schaltkreise und andere mikroskopisch
kleine Strukturen lithographisch zu erzeugen. Hierzu wird ein Retikel,
das abzubildende Strukturen enthält,
mit Hilfe des Projektionsobjektivs im allgemeinen verkleinert auf
eine lichtempfindliche Schicht abgebildet, die auf einem Träger, z.
B. einem Siliziumwafer, aufgebracht ist. Tritt in derartigen Projektionsobjektiven
Doppelbrechung auf, so führt
dies, sofern keine geeigneten Gegenmaßnahmen getroffen werden, zu
nicht tolerierbaren Kontrastverlusten in der Bildebene, in der die
lichtempfindliche Schicht angeordnet ist.
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Als
Gegenmaßnahme
ist bislang nur bekannt, Rohlinge einzusetzen, deren irreversible spannungsinduzierte
Doppelbrechung möglichst klein
ist. Derartige Rohlinge sind jedoch häufig deutlich teurer.
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Eine
besondere Bedeutung hat die Problematik der Doppelbrechung auch
bei Projektionsobjektiven erlangt, die für kürzere Wellenlängen, etwa für 157 nm,
ausgelegt sind. In diesen Projektionsobjektiven wird inzwischen
wegen der geringen Transparenz herkömmlicher Linsenmaterialien
für kurzwelliges
UV-Licht Flußspat
(CaF2) verwendet, das auch bei diesen kurzen
Wellenlängen
noch transparent ist. Wie sich inzwischen jedoch gezeigt hat, sind
Flußspat- Kristalle bei diesen
Wellenlängen
intrinsisch doppelbrechend.
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Da
auch hier die Doppelbrechung zu untolerierbar hohen Kontrastverlusten
führen
würde,
ist vorgeschlagen worden, die Kristallorientierungen mehrerer aus
Flußspat
gefertigter optischer Elemente so zu wählen, daß sich zumindest rotationssymmetrische
Richtungsverteilungen der Doppelbrechung ergeben oder sich die doppelbrechenden
Wirkungen der einzelnen optischen Elemente sogar weitgehend gegeneinander
aufheben. Beschrieben sind derartige Anordnungen beispielsweise
in der WO 02/093209 A2.
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Eine
vollständige
Kompensation der Doppelbrechung ist im allgemeinen jedoch auch bei
optimaler Wahl der Kristallorientierungen nicht möglich. Dies
hängt damit
zusammen, daß eine
vollständige Kompensation
der durch die Doppelbrechung verursachten Verzögerungen nicht nur eine entsprechende
Richtungsverteilung und Größe der Doppelbrechung
als Materialeigenschaft voraussetzt, sondern ferner verlangt, daß auch die
von den Lichtstrahlen in den optischen Elementen zurückgelegten
Wegstrecken sowie deren Winkel bezüglich der optischen Achse bestimmte
Kriterien erfüllen.
Um unerwünschte
Restverzögerungen
zu vermeiden, schlägt
die WO 02/099500 A2 ein zusätzliches
Korrekturelement vor, das eine gezielt eingestellte spannungsinduzierte Doppelbrechung
aufweist. Diese ist so gewählt,
daß Verzögerungen,
die durch intrinsische Doppelbrechung im übrigen System hervorgerufen
werden, kompensiert werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein optisches System der eingangs genannten
Art so zu verbessern, daß ungünstige Auswirkungen
spannungsinduzierter Doppelbrechung verringert werden.
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Gelöst wird
diese Aufgabe bei einem optischen System der eingangs genannten
Art dadurch, daß das
optische System mindestens ein optisches Korrekturelement aus einem
intrinsisch doppelbrechenden Material aufweist, dessen Kristallorientierung
so gewählt
ist, daß die
Richtungsverteilung der von dem Korrekturelement hervorgerufenen
Doppelbrechung im wesentlichen senkrecht auf der Richtungsverteilung
der Doppelbrechung steht, die durch das mindestens eine optische
Element hervorgerufen wird.
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Die
Erfindung beruht auf der Überlegung, daß sich nicht
nur durch gezielte spannungsinduzierte Doppelbrechung die Wirkung
intrinsischer Doppelbrechung kompensieren läßt, sondern daß auch umgekehrt
die Wirkung spannungsinduzierter Doppelbrechung durch intrinsisch
doppelbrechende Korrekturelemente verringert werden kann. Insbesondere Korrekturelemente
aus kubisch kristallinen Materialien wie etwa Flußspat (CaF2) , Bariumfluorid (BaF2) oder
entsprechenden Mischkristallen (Ca1–xBaxF2) erlauben es,
durch Wahl der Kristallorientierung die doppelbrechenden Eigenschaften
in bestimmten Grenzen frei festzulegen. Insbesondere eine Kombination
mehrerer Korrekturelemente aus intrinsisch doppelbrechendem Material
mit unterschiedlichen Kristallorientierungen ermöglicht es, eine Kompensa tionswirkung
für ganz
unterschiedliche Verteilungen spannungsinduzierter Doppelbrechung
zu erzielen.
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Besonders
geeignet ist das erfindungsgemäße Korrekturelement
zur Kompensation permanenter spannungsinduzierter Doppelbrechung,
wie sie bei aus Quarzglas gefertigten Rohlingen gelegentlich auftritt.
Wie oben erwähnt,
weist die spannungsinduzierte Doppelbrechung in diesen Fällen meist
eine zumindest annähernd
rotationssymmetrische Abhängigkeit
des Betrags und der Orientierung der Doppelbrechung auf, an welche
die Symmetrie der intrinsischen Doppelbrechung des oder der Korrekturelemente
angepaßt
werden kann. Im einzelnen wird bei der spannungsinduzierten Doppelbrechung
der Betrag der Doppelbrechung meist um so größer, je weiter entfernt von
der optischen Achse ein Strahl den Rohling durchtritt.
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Ist
das optische Element aus Quarzglas in einer Pupillenebene angeordnet,
so übersetzt
sich diese rotationssymmetrische Ortsabhängigkeit in einer Feldebene
in eine Winkelabhängigkeit,
wie sie intrinsisch doppelbrechenden Materialien eigen ist. Die Doppelbrechung
eines pupillennah angeordneten optischen Elements aus Quarzglas
kann deswegen sehr weitgehend durch ein feldnah angeordnetes intrinsisch
doppelbrechendes Korrekturelement oder eine Kombination mehrerer
solcher Korrekturelemente korrigiert werden. Die Kompensationswirkung der
intrinsischen Doppelbrechung nimmt ab, je weiter von einer Pupillenebene
entfernt das optische Element aus Quarzglas und je weiter von einer
Feldebene entfernt das oder die Korrekturelemente angeordnet sind.
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In
Fällen,
bei denen die Doppelbrechung der Rohlinge keinen rotationssymmetrischen,
sondern einen mehrzähligen
Verlauf hat, können
diese häufig so
orientiert werden, daß die
von einzelnen optischen Elementen und somit auch die von der Gesamtheit der
optischen Elemente hervorgerufene Richtungsverteilung der spannungsinduzierten
permanenten Doppelbrechung im wesentlichen rotationssymmetrisch
bezüglich
der optischen Achse des optischen Systems ist.
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Besonders
bevorzugt ist es dann, wenn das optische System mindestens zwei
optische Korrekturelemente aufweist, deren Richtungsverteilung der Doppelbrechung
insgesamt ebenfalls im wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich der
optischen Achse des optischen Systems ist. Wenn dann beispielsweise
die langsame Achse der Doppelbrechung bei der Richtungsverteilung
der optischen Elemente in radialer Richtung verläuft und die langsame Achse
der Doppelbrechung bei der Richtungsverteilung der Korrekturelemente
in tangentialer Richtung, so tritt insgesamt eine Verringerung der
durch Doppelbrechung hervorgerufenen Verzögerungen ein. Deren Höhe hängt insbesondere
davon ab, inwieweit sich die Beträge der Doppelbrechung sowie
die in den optischen Elementen und den Korrekturelementen zurückgelegten
Wegstrecken und Winkel aufeinander abstimmen lassen.
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Im
Falle von kubisch kristallinen Materialien läßt sich eine solche rotationssymmetrische
Richtungsverteilung der Doppelbrechung beispielsweise dadurch realisieren,
daß die
Kristallorientierungen zweier Korrekturelemente so gewählt sind,
daß deren
[100]-Kristallachsen im wesentlichen parallel zu der optischen Achse
ausgerichtet sind und zueinander um 45° oder ein ungeradzahliges Vielfaches
davon bezüglich
der optischen Achse verdreht sind. Darüber hinaus gibt es jedoch auch
andere Kombinationen von Kristallorientierungen zweier oder auch mehrerer
Elemente aus kubisch kristallinem Material, mit denen sich eine
rotationssymmetrische Richtungsverteilung der Doppelbrechung realisieren
läßt. Solche
anderen Kombinationen sind den bereits angeführten Druckschriften WO 02/093209
A2 und WO 02/099500 sowie auch der Druckschrift US 2003/ 0011896
A1 zu entnehmen. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschriften wird
deswegen vollumfänglich hierin
aufgenommen.
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Um
in diesen Fällen
möglichst
exakt eine rotationssymmetrische Doppelbrechungsverteilung bei den
Korrekturelementen zu erhalten, ist es außerdem bevorzugt, wenn die
Korrekturelemente so ausgelegt sind, daß jeder die Korrekturelemente
durchtretende Lichtstrahl in den Korrekturelementen annähernd die
gleiche Wegstrecke zurücklegt
und die Korrekturelemente unter annähernd dem gleichen Winkel bezüglich der
optischen Achse durchtritt. Auf diese Weise ist sichergestellt,
daß jedes
Korrekturelement den gleichen Beitrag zur Gesamtverzögerung leistet.
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Um
mit möglichst
wenigen Korrekturelementen Verzögerungen
aufgrund spannungsinduzierter Doppelbrechung zu kompensieren, sollten
diese in optischen Systemen möglichst
an einer Stelle entlang der optischen Achse angeordnet sein, an
der die Winkelbelastung überdurchschnittlich
und vorzugsweise möglichst
hoch ist. Bei den hier in Betracht kommenden Kristallorientierungen
wächst
nämlich der
Betrag der intrinsischen Doppelbrechung mit zunehmendem Einfallswinkel,
so daß gerade
für stark zur
optischen Achse geneigte Lichtstrahlen eine hohe doppelbrechende
Wirkung erzielt wird. Je stärker
diese Wirkung ist, desto größer kann
die Verzögerung
sein, die durch die optischen Elemente mit intrinsischer Doppelbrechung
hervorgerufen werden.
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Handelt
es sich bei dem optischen System um ein Projektionsobjektiv einer
mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, so ist vorzugsweise
das mindestens eine Korrekturelement die letzte oder die vorletzte
optische Komponente des Projektionsobjektivs. Bei den üblicherweise
verwendeten Designs von Projektionsobjektiven ist nämlich gerade
bei diesen letzten Komponenten des Objektivs die Winkelbelastung
besonders hoch, so daß dort entsprechend
der vorstehenden Ausführungen
eine Kompensation von Verzögerungen
aufgrund spannungsinduzierter Doppelbrechung am effektivsten ist.
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Weitere
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnung. Darin zeigen:
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1 eine
vereinfachte Darstellung eines katadioptrischen Projektionsobjektivs
einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage in einem
Meridionalschnitt;
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2 eine
Doppelbrechungsverteilung, die durch die Gesamtheit der optischen
Elemente mit spannungsinduzierter Doppelbrechung hervorgerufen wird;
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3 einen
Ausschnitt aus der 1, in dem zwei erfindungsgemäße Korrekturelemente
vergrößert unter
Angabe der Kristallorientierungen dargestellt sind;
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4 eine
Doppelbrechungsverteilung, die durch die beiden Korrekturelemente
hervorgerufen wird.
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In
der 1 ist ein Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen
Projektionsbelichtungsanlage in einem Meridionalschnitt vereinfacht
dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet. Das Projektionsobjektiv
dient dazu, in einem Retikel 12 enthaltene Strukturen verkleinert
auf einer lichtempfindlichen Schicht abzubilden, die auf einem Substrat 14 aufgebracht ist.
Das Retikel 12 ist dabei in einer Objektebene und die lichtempfindliche
Schicht in einer Bildebene des Projektionsobjektivs 10 angeordnet.
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In
der 1 gestrichelt angedeutetes Projektionslicht 13,
das von einer Beleuchtungseinrichtung der Projektionsbelichtungsanlage
erzeugt wird und bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Wellenlänge λ = 193 nm
hat, gelangt nach Durchtritt durch das Retikel 12 über eine
planparallele Platte 15 und eine Linse L1 in einen Strahlteilerwürfel 16.
Dort wird das Projektionslichtbündel
an einer darin enthaltenen polarisationsselektiven Strahlteilerschicht 17 reflektiert
und über
eine Linse L2, ein Viertelwellenlängenplättchen 18 und zwei
weitere Linsen L3 und L4 auf einen sphärischen Spiegel 20 geworfen.
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Nach
Reflexion an dem sphärischen
Spiegel 20 durchsetzt das Projektionslichtbündel erneut
die Linsen L4 und L3, das Viertelwellenlängenplättchen 18 sowie die
Linse L2 und fällt
auf die polarisationsselektive Strahlteilerschicht 17.
Dort wird das Projektionslichtbündel
allerdings nicht reflektiert, sondern transmittiert, da die Polarisation
des Projektionslichtbündels
durch den zweimaligen Durchtritt durch das Viertelwellenlängenplättchen 18
um 90° gedreht
wurde. Von dem Strahlteilerwürfel 16 gelangt
das Projektionslichtbündel über einen
Planspiegel 22 in einen rein dioptrischen Teil des Projektionsobjektivs 10,
in dem nicht näher
bezeichnete Linsen L5 bis L16, eine weitere planparallele Platte 24 sowie
zwei Kor rekturelemente K1 und K2 entlang einer mit 26 angedeuteten
optischen Achse angeordnet sind.
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Die
Linsen L1 bis L16, die planparallelen Platten 15 und 24 sowie
der Strahlteilerwürfel 16 sind aus
Quarzglas-Rohlingen
gefertigt, die – wenn
auch in unterschiedlichem Maße – spannungsinduziert doppelbrechend
sind. Im allgemeinen weist dabei die Doppelbrechung der Rohlinge
eine Richtungsverteilung auf, bei der die langsame Doppelbrechungsachse
in radialer Richtung verläuft.
Bei einem kleineren Teil der Rohlinge verläuft die Richtung der langsamen Achse
senkrecht hierzu, d.h. in tangentialer Richtung.
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Die 2 zeigt
idealisiert die Doppelbrechungsverteilung Δn(θ, α) für die Gesamtheit der aus Quarzglas
bestehenden refraktiv wirkenden optischen Elemente, d.h. die Linsen
L1 bis L16, die planparallelen Platten 15 und 24 sowie
den Strahlteilerwürfel 16,
wie sie in der Feldebene FP gemessen werden kann, in der das Substrat 14 angeordnet
ist. Diese Doppelbrechungsverteilung wird im wesentlichen durch
die Linsen in der Nähe
einer Pupillenebene PP bestimmt, da das Projektionslichtbündel im Bereich
dieser Linsen am weitesten aufgeweitet ist, so daß Projektionslicht
diese Linsen mit größeren Abständen von
der optischen Achse durchtritt. Jede Linie in der 2 repräsentiert
den Betrag und die Richtung der Doppelbrechung Δn für einen Lichtstrahl, der unter
dem Öffnungs winkel α und den
Azimutwinkel θ die
Feldebene FP durchtritt.
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Wie
in der 2 zu erkennen ist, weist die Doppelbrechungsverteilung Δn einen rotationssymmetrischen
Verlauf auf. Dies bedeutet, daß die
Doppelbrechung zwar vom Öffnungswinkel α, nicht aber vom
Azimutwinkel θ abhängt. Der
Betrag der Doppelbrechung Δn
nimmt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
etwa linear mit zunehmendem Öffnungswinkel α zu, kann
jedoch auch eine quadratische Abhängigkeit vom Öffnungswinkel α aufweisen.
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Die 3 zeigt
die beiden Korrekturelemente K1 und K2 in einer vergrößerten Darstellung.
Bei dem Korrekturelement K1 handelt es sich um eine schwach sammelnde
Linse, während
das Korrekturelement K2 eine planparallele Abschlußplatte
ist, die auf einfache Weise auswechselbar ist und das Projektionsobjektiv 10 bildseitig
abschließt.
Die beiden Korrekturelemente K1 und K2 sind aus Kalziumfluorid-Kristallen
gefertigt, deren Kristallorientierungen in der 3 durch
Dreibeine angedeutet sind. Die [100]-Kristallachsen sind dabei in
beiden Fällen
parallel zur optischen Achse 26 ausgerichtet. Ferner sind
die Kristallgitter um die [100]-Achse um 45° zueinander verdreht.
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Wie
dies näher
in der eingangs bereits erwähnten
WO 02/093209 beschrieben ist, führt
eine derartige Anordnung der Kristallgitter zu einer rotationssymmetrischen
Dop pelbrechungsverteilung, wie sie in der 4 für die Kombination
der beiden Korrekturelemente K1 und K2 gezeigt ist. Im Vergleich
zu der 2 ist dabei erkennbar, daß die Doppelbrechungsverteilung Δnk eine Richtungsverteilung aufweist, die
senkrecht auf der Richtungsverteilung Δn steht, die sich gemäß der 2 für die aus
Quarzglas bestehenden refraktiv wirkenden optischen Elemente L1
bis L16, 15, 16, 24 ergibt. Auf diese
Weise werden durch die Korrekturelemente K1 und K2 diejenigen Polarisationskomponenten
eines hindurchtretenden Projektionslichtstrahls verzögert, die
in den optischen Elementen L1 bis L16, 15, 16, 24 dem
kleineren Brechungsindex ausgesetzt waren und sich deswegen schneller
ausbreiten konnten. Dadurch wird eine zumindest teilweise Kompensierung
der Verzögerungen
erreicht, die durch die spannungsinduzierte Doppelbrechung der aus
Quarzglas gefertigten optischen Elemente L1 bis L16, 15, 16, 24 hervorgerufen
wurde.
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Eine
perfekt rotationssymmetrische Doppelbrechungsverteilung Δnk der Korrekturelemente K1 und K2, wie sie
in der 4 dargestellt ist, ist erzielbar, wenn für einen
beliebigen Lichtstrahl die Bedingung erfüllt ist, daß beide Korrekturelemente K1
und K2 unter dem gleichen Winkel α1 bzw. α2 durchtreten werden und die in den Korrekturelementen
K1 und K2 zurückgelegten
Weglängen
d1 und d2 gleich
sind. Bei dem Projektionsobjektiv 10 wird dies dadurch
erreicht, daß das
Korrekturelement K2 eine planparallele Platte und das Korrekturelement
K1 aufgrund der sehr geringen Flächenkrümmungen
zumindest in erster Näherung
ebenfalls eine planparallele Platte gleicher Dicke ist.
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Es
versteht sich, daß das
vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel
in vielfältiger
abwandelbar ist. So ist die Erfindung nicht auf den Einsatz in Projektionsobjektiven
beschränkt,
sondern kann auch in anderen Hochleistungsoptiken zur Anwendung
kommen. Anwendbar ist die Erfindung ferner, wenn lediglich ein einziges
optisches Element des optischen Systems aufgrund von Materialspannungen
doppelbrechend ist. Die Materialspannungen, die die unerwünschte Doppelbrechung
der optischen Elemente hervorrufen, können auch durch mechanische
Kräfte
erzeugt werden, die durch Linsenfassungen o.ä. auf die optischen Elemente
wirken. Als Ursache für
die Materialspannungen kommen auch elektrische oder magnetische
Felder in Betracht.
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Weist
die Gesamtheit der aus Quarzglas bestehenden optischen Elemente
eine Richtungsverteilung für
die Doppelbrechung auf, bei der, anders als in der 2 dargestellt,
nicht die schnelle, sondern die langsame Doppelbrechungsachse in
tangentialer Richtung verläuft,
so sind andere Korrekturelemente K1 und K2 auszuwählen. Eine
Möglichkeit
besteht darin, Korrekturelemente aus BaF2 einzusetzen,
welche die in der 3 gezeigte Kristallorientierung
haben. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, daß die Orientierung der intrinsischen
Doppelbrechung bei BaF2 gerade umgekehrt
zu der Orientierung in CaF2 ver läuft. Alternativ
hierzu können
aber auch Korrekturelemente K1, K2 aus CaF2 verwendet
werden, wobei dann jedoch die [111]-Kristallachsen entlang der optischen
Achse 26 ausgerichtet sein müssen.