-
Die Erfindung betrifft ein mikrolithographisches Belichtungsverfahren sowie eine Beleuchtungseinrichtung.
-
Mikrolithographische Projektionsbelichtungsanlagen werden zur Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente, wie beispielsweise integrierter Schaltkreise oder LCD's, angewendet. Eine solche Projektionsbelichtungsanlage weist eine Beleuchtungseinrichtung und ein Projektionsobjektiv auf. Im Mikrolithographieprozess wird das Bild einer mit Hilfe der Beleuchtungseinrichtung beleuchteten Maske (= Retikel) mittels des Projektionsobjektivs auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist) beschichtetes und in der Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnetes Substrat (z. B. ein Siliziumwafer) projiziert, um die Maskenstruktur auf die lichtempfindliche Beschichtung des Substrats zu übertragen.
-
Im Betrieb einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage besteht der Bedarf, definierte Beleuchtungssettings, d. h. Intensitätsverteilungen in einer Pupillenebene der Beleuchtungseinrichtung, gezielt einzustellen. Hierzu ist neben der Verwendung diffraktiver optischer Elemente (sogenannter DOE's) auch der Einsatz von Spiegelanordnungen, z. B. aus
WO 2005/026843 A2 , bekannt. Solche Spiegelanordnungen umfassen eine Vielzahl unabhängig voneinander einstellbarer Mikrospiegel.
-
Des Weiteren ist es aus
WO 2009/100862 A1 bekannt, durch zeitliche Korrelation zwischen einer Einrichtung zur Änderung des Polarisationszustandes einerseits, wie z. B. eines photoelastischen Modulators (PEM) oder einer Pockels- oder Kerr-Zelle, mit einer in der Beleuchtungseinrichtung befindlichen Spiegelanordnung mit unabhängig voneinander einstellbaren Spiegelelementen andererseits sowohl hinsichtlich der Polarisationsverteilung unterschiedliche Beleuchtungssettings einzustellen als auch eine elektronische Umschaltung zwischen solchen unterschiedlich polarisierten Beleuchtungssettings zu realisieren.
-
Bei den genannten photoelastischen Modulatoren (PEM) handelt es sich um optische Komponenten, die derart aus einem Material hergestellt sind, welches Spannungsdoppelbrechung (SDB) zeigt, dass eine Anregung des PEM zu akustischen Schwingungen zu einer periodisch wechselnden mechanischen Spannung und somit zu einer zeitlich variierenden Verzögerung führt. Mit „Verzögerung” bzw. Retardierung wird die Differenz der optischen Wege zweier orthogonaler (senkrecht zueinander stehender) Polarisationszustände bezeichnet. Derartige photoelastische Modulatoren (PEM) sind im Stand der Technik z. B. aus
US 5,886,810 A1 oder
US 5,744,721 A1 bekannt und werden für den Einsatz bei Wellenlängen des sichtbaren Lichts bis hin zum VUV-Bereich (ca. 130 nm) z. B. von der Firma Hinds Instruments Inc., Hillsboro, Oregon (USA) hergestellt und vertrieben.
-
Die Versetzung des Kristallmaterials des PEM in Schwingungen erfolgt typischerweise mittels Anlegen einer elektrischen Spannung an am Kristallmaterial des PEM angebrachte piezoelektrische Kontakte, wobei der Laser in seiner Pulsfrequenz z. B. so auf die Frequenz der angelegten elektrischen Spannung abgestimmt werden kann, dass jeweils im Maximum der Retardierung ein Laserpuls auf den PEM trifft. Diese Situation ist in 1a dargestellt, wobei über die Ausdehnung des PEM in x-Richtung gerade eine Halbwelle mit einem Schwingungsbauch erzeugt wird. Die Größe des Maximums dieser Halbwelle der Retardierung bzw. die Größe des Schwingungsbauchs ist hierbei über die an die piezoelektrischen Kontakte angelegte elektrische Spannung und damit die Amplitude der Schwingung des Kristallmaterials im PEM einstellbar. Der im Schwingungsbauch liegende, optisch genutzte Bereich ist in 1a mit „A” bezeichnet. Dabei ist im Diagramm von 1a (ebenso wie in den im Weiteren noch diskutierten Diagrammen von 1b, 1c etc.) jeweils die ortsabhängig entlang der x-Richtung variierende Retardierung bzw. Verzögerung für einen festen Zeitpunkt aufgetragen. Des Weiteren ist in 1a ebenso wie in den analogen, im Weiteren noch diskutierten Diagrammen die Lage der im PEM jeweils über die angelegte elektrische Spannung bzw. die erzeugte mechanische Schwingung induzierten schnellen Achse der Doppelbrechung mit „fa” bezeichnet.
-
Ein weiteres, im Betrieb einer Projektionsbelichtungsanlage bekanntermaßen auftretendes Problem ist, dass ein in der Beleuchtungseinrichtung zunächst vorhandener, gegebenenfalls gezielt eingestellter Polarisationszustand durch polarisationsbeeinflussende Effekte (z. B. durch Fassungskomponenten induzierte Spannungsdoppelbrechung im Material der optischen Komponenten wie z. B. Linsen, Einfluss dielektrischer Schichten etc.) beeinflusst wird, weshalb diverse Ansätze zur Kompensation der durch diese Effekte bewirkten Retardierung entwickelt wurden.
-
Hierbei besteht ein Bedarf, diese Retardierungskompensation für unterschiedliche Polarisationszustände auch unterschiedlich vornehmen bzw. flexibel anpassen zu können und somit die Flexibilität der Retardierungskompensation im Zuge der ebenfalls zunehmend flexibel gestalteten Erzeugung neuer polarisierter Beleuchtungssettings weiter zu steigern.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein mikrolithographisches Belichtungsverfahren sowie eine Beleuchtungseinrichtung bereitzustellen, durch das bzw. mittels der eine weitere Erhöhung der Flexibilität hinsichtlich der in der Projektionsbelichtungsanlage einstellbaren Intensitäts- und Polarisationsverteilungen und insbesondere eine für voneinander verschiedene Polarisationszustände des Beleuchtungslichtes unterschiedliche Retardierungskompensation ermöglicht wird.
-
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
-
Bei einem erfindungsgemäßen mikrolithographischen Belichtungsverfahren beleuchtet eine Beleuchtungseinrichtung eine Objektebene eines Projektionsobjektivs, und die Objektebene wird mittels des Projektionsobjektivs in eine Bildebene des Projektionsobjektivs abgebildet, wobei die Beleuchtungseinrichtung wenigstens ein Retardierungselement aufweist, mittels dem für auf das Retardierungselement auftreffendes Licht eine vom Ort des Auftreffens abhängige und zeitlich variierende Verzögerung erzeugbar ist, und wobei wenigstens zwei Lichtstrahlen durch unterschiedliche Bereiche des Retardierungselementes gelenkt werden, welche sich hinsichtlich der jeweils durch das Retardierungselement erzeugten Verzögerung voneinander unterscheiden.
-
Gemäß einer Ausführungsform unterscheiden sich die durch das Retardierungselement erzeugten Verzögerungen für diese unterschiedlichen Bereiche des Retardierungselementes um wenigstens 1%, insbesondere wenigstens 3%, weiter insbesondere wenigstens 5% der Arbeitswellenlänge des Lichtes.
-
Gemäß einer Ausführungsform unterscheiden sich die durch das Retardierungselement erzeugten Verzögerungen für diese unterschiedlichen Bereiche des Retardierungselementes um wenigstens 20%, insbesondere wenigstens 40%, weiter insbesondere wenigstens 50% der Arbeitswellenlänge des Lichtes.
-
Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Retardierungselement um einen photoelastischen Modulator (PEM).
-
Der Erfindung liegt dabei insbesondere das Konzept zugrunde, ein Retardierungselement bzw. einen photoelastischen Modulator (PEM) nicht nur, wir vorstehend unter Bezugnahme auf 1a beschrieben, gewissermaßen für einen durch einen festen Ort durch den PEM hindurchtretenden Lichtstrahl zu nutzen, also etwa gemäß 1a im Schwingungsbauch der herkömmlicherweise entlang des PEM erzeugten Halbwelle, sondern für wenigstens zwei Lichtstrahlen unterschiedliche Orte des PEM zu nutzen, so dass diese Lichtstrahlen zu ein- und demselben Zeitpunkt unterschiedliche Retardierungen aufgrund der Wirkung des PEM erfahren. Dabei können diese Lichtstrahlen insbesondere (ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) unterschiedliche Polarisationszustände aufweisen.
-
Dieses Konzept ist in 1b und 1c veranschaulicht, wobei im Unterschied zu 1a jeweils das Schwingungsprofil der im PEM angeregten mechanischen Schwingung gemäß 2b und 2c zwei (oder, im Allgemeinen, wenigstens zwei) Schwingungsbäuche – entsprechend der Erzeugung von zwei Halbwellen entlang des PEM 100 im Unterschied zu einer einzigen Halbwelle gemäß 1 – aufweist. In diesem Schwingungsprofil können nun z. B. gemäß 1b die beiden Schwingungsbäuche für den Strahldurchtritt genutzt werden, so dass die optisch genutzten Bereiche „A1” und „A2” jeweils der bezogen auf die Ortsabhängigkeit maximalen Verzögerung mit positivem bzw. negativem Vorzeichen entsprechen, oder es kann gemäß 1c auch ein größerer Bereich „A3” für den Strahldurchtritt genutzt werden.
-
Mittels des erfindungsgemäßen Konzepts lässt sich zum einen eine Retardierungsverteilung in der Pupillenebene einstellen, welche eine unerwünschte bzw. störende Retardierung, wie sie etwa durch in der Beleuchtungseinrichtung vorhandene Doppelbrechung eingeführt werden kann, kompensiert. Des Weiteren lässt sich mittels des erfindungsgemäßen Konzepts auch die Polarisationsrichtung abhängig vom Ort in der Pupillenebene unterschiedlich einstellen, um eine bestimmte gewünschte (z. B. tangentiale) Polarisationsverteilung in der Pupillenebene einzustellen, wozu etwa eine in Ausführungsformen der Erfindung vorhandene Spiegelanordnung mit unabhängig voneinander verstellbaren Spiegelelementen genutzt werden kann. Ferner kann auch – gewissermaßen in Kombination dieser beiden Effekte – sowohl eine gewünschte Polarisationsverteilung in der Pupillenebene eingestellt als auch zugleich eine störende Retardierung in der Beleuchtungseinrichtung beseitigt werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird der photoelastische Modulator derart zu mechanischen Schwingungen angeregt, dass über den optisch nutzbaren Bereich des photoelastischen Modulators wenigstens zwei Schwingungsbäuche erzeugt werden.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird der photoelastische Modulator zu mechanischen Schwingungen angeregt, welche sowohl eine Grundschwingung als auch wenigstens eine Oberschwingung zu dieser Grundschwingung umfassen. Auf diese Weise lassen sich, wie im Weiteren noch näher erläutert, im Vergleich etwa zu einer typischerweise sinusförmigen Grundschwingung modifizierte Schwingungsprofile der im PEM erzeugten mechanischen Schwingungen und damit Verläufe der durch diese Schwingungsprofile induzierten Doppelbrechung erzeugen, welche besonders vorteilhaft für die jeweils gewünschte Retardierungserzeugung bzw. -kompensation sind.
-
Dieser Aspekt der Erzeugung wenigstens einer Oberschwingung ist auch unabhängig von dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Konzept vorteilhaft.
-
Gemäß einem weiteren Ansatz betrifft die Erfindung daher auch ein mikrolithographisches Belichtungsverfahren,
- – wobei eine Beleuchtungseinrichtung eine Objektebene eines Projektionsobjektivs beleuchtet und wobei die Objektebene mittels des Projektionsobjektivs in eine Bildebene des Projektionsobjektivs abgebildet wird,
- – wobei die Beleuchtungseinrichtung wenigstens ein Retardierungselement aufweist, mittels dem für auf das Retardierungselement auftreffendes Licht eine vom Ort des Auftreffens abhängige und zeitlich variierende Verzögerung erzeugbar ist,
- – wobei das Retardierungselement ein photoelastischer Modulator ist und wobei dieser photoelastische Modulator zu mechanischen Schwingungen angeregt wird, welche sowohl eine Grundschwingung als auch wenigstens eine Oberschwingung zu dieser Grundschwingung umfassen.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird der photoelastische Modulator derart zu mechanischen Schwingungen angeregt, dass über den optisch nutzbaren Bereich des photoelastischen Modulators ein zumindest näherungsweise rechteckförmiges Schwingungsprofil erzeugt wird.
-
Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird somit bei der Anregung des PEM nicht nur eine Sinusschwingung erzeugt, sondern es werden darüber hinaus zu dieser Grundschwingung eine oder mehrere Oberschwingungen erzeugt, wodurch sich im Ergebnis ein zumindest näherungsweise (und mit steigender Anzahl der „hinzugenommenen” Oberschwingungen in immer besserer Näherung realisiertes) rechteckförmiges Schwingungsprofil erzeugen lässt. Auf diese Weise lassen sich, wie im Weiteren noch näher erläutert, räumlich ausgedehntere Bereiche entlang des PEM mit im Wesentlichen konstantem Doppelbrechungsbeitrag (und positiver bzw. negativer Verzögerung) erzeugen, wobei zwischen diesen Bereichen ein vergleichsweise steiler Übergang stattfindet. Mit anderen Worten lässt sich durch die Hinzunahme von Oberschwingungen erreichen, dass Bereiche mit je nach Anwendungsfall bevorzugten bzw. besonders avisierten Verzögerungswerten (wie z. B. mit einer Verzögerung von Lambda/4 oder Lambda/2) im Schwingungsprofil entlang des PEM zunehmend plateauförmig ausgestaltet werden, wobei zwischen diesen Bereichen – etwa mittels einer, in Ausführungsformen der Erfindung vorhandenen Spiegelanordnung mit unabhängig voneinander verstellbaren Spiegelelementen – hin und hergeschaltet werden kann.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird der photoelastische Modulator derart zu mechanischen Schwingungen angeregt, dass über den optisch nutzbaren Bereich des photoelastischen Modulators ein zumindest abschnittsweise lineares, insbesondere ein dreieckförmiges Schwingungsprofil erzeugt wird.
-
Insbesondere kann anstelle der vorstehend beschriebenen „Rechteckmodulation” eine „Dreiecksmodulation” (d. h. ein zumindest näherungsweise dreieckförmiges Schwingungsprofil) realisiert werden. Auf diese Weise kann über ein einzelnes Spiegelelement hinweg eine Veränderung der Doppelbrechung erreicht werden, welche bei geeigneter Auslegung auch zueinander orthogonale Polarisationszustände umfasst. Im Ergebnis kann so erreicht werden, dass das auf dieses Spiegelelement auftreffende Licht effektiv depolarisiert ist. Auf diese Weise, d. h. durch elektronische Ansteuerung des photoelastischen Modulators bzw. durch die Struktur des über eine Vielzahl von Oberschwingungen generierten Schwingungsprofils der mechanischen Schwingungen, kann effektiv die Funktionalität eines sogenannten Hanle-Depolarisators, wie z. B. aus
EP 0 964 282 A2 bekannt, erzielt werden, jedoch ohne Erfordernis der herkömmlicherweise hierzu benötigten keilförmigen Bauelemente und unter Vermeidung hiermit ggf. einhergehender unerwünschter Moiré-Effekte. Diese elektronische Ansteuerung des photoelastischen Modulators kann mit kontinuierlich zunehmender Retardierung über die Ausdehnung des photoelastischen Modulators oder auch mit einer Vielzahl von Schwingungsperioden über die Ausdehnung des photoelastischen Modulators erzielt werden, wie im Weiteren noch näher erläutert wird.
-
Gemäß einer Ausführungsform wird der photoelastische Modulator in wenigstens zwei voneinander verschiedenen Raumrichtungen zu mechanischen Schwingungen angeregt. Diese Raumrichtungen können insbesondere zueinander senkrecht sein. Auf diese Weise lässt sich innerhalb des PEM eine zweidimensionale Verteilung hinsichtlich der jeweils durch den PEM erzeugten Retardierung realisieren (analog zu den sogenannten Chladnischen Klangfiguren), wobei sich die mechanischen Spannungen bzw. die damit einhergehenden Doppelbrechungsbeiträge jeweils entsprechend überlagern. In weiteren Ausführungsformen kann der photoelastische Modulator auch in voneinander verschiedenen, jedoch nicht zueinander senkrechten Raumrichtungen zu mechanischen Schwingungen angeregt werden, um auf diese Weise durch Überlagerung der in diesen Richtungen jeweils erzeugten Schwingungsprofile andere Richtungen der jeweils effektiv induzierten schnellen Achse der Doppelbrechung bzw. andere gewünschte Retardierungen durch den PEM zu erzeugen.
-
Gemäß einer Ausführungsform kann an den photoelastischen Modulator eine elektrische Spannung angelegt werden, welche einen zeitlich konstanten Anteil aufweist. Demnach kann durch statischen Druck bzw. durch Anlegen einer konstanten Spannung am photoelastischen Modulator bzw. Piezo-Kristall eine statische bzw. zeitlich konstante Doppelbrechung eingestellt werden. Wenn auch durch diese Maßnahme allein noch keine räumlichen Verläufe der Verzögerung realisierbar sind, kann ein solcher statischer Druck dazu eingesetzt werden, um zusätzlich zur vorstehend beschriebenen Modulation eine statische Offset-Verzögerung einzustellen (entsprechend z. B. der statischen Wirkung einer im System angeordneten Lambda/2-Platte).
-
Gemäß einer Ausführungsform weisen die wenigstens zwei Lichtstrahlen, welche durch unterschiedliche Bereiche des Retardierungselementes gelenkt werden, voneinander verschiedene Polarisationszustände auf. Diese Polarisationszustände können insbesondere zueinander orthogonal sein.
-
Gemäß einer Ausführungsform werden die wenigstens zwei Lichtstrahlen, welche durch unterschiedliche Bereiche des Retardierungselementes gelenkt werden, in unterschiedliche Bereiche einer Pupillenebene gelenkt.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist die Beleuchtungseinrichtung wenigstens zwei photoelastische Modulatoren auf, wobei diese photoelastischen Modulatoren derart zu mechanischen Schwingungen angeregt werden, dass sich die Richtungen der hierbei in den photoelastischen Modulatoren jeweils erzeugten schnellen Achsen der Doppelbrechung voneinander unterscheiden.
-
Die Erfindung betrifft ferner eine Beleuchtungseinrichtung einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, mit
- – einer Spiegelanordnung, welche eine Mehrzahl von Spiegelelementen aufweist, die zur Veränderung einer Winkelverteilung des von der Spiegelanordnung reflektierten Lichtes unabhängig voneinander verstellbar sind; und
- – wenigstens einem Retardierungselement, mittels dem für auf das Retardierungselement auftreffendes Licht eine vom Ort des Auftreffens abhängige und zeitlich variierende Verzögerung erzeugbar ist;
- – wobei im Betrieb der Beleuchtungseinrichtung wenigstens zwei Lichtstrahlen, welche an unterschiedlichen Spiegelelementen der Spiegelanordnung reflektiert werden, durch unterschiedliche Bereiche des Retardierungselementes gelenkt werden, welche sich hinsichtlich der jeweils durch das Retardierungselement erzeugten Verzögerung voneinander unterscheiden.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist das Retardierungselement ein photoelastischer Modulator.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist die Beleuchtungseinrichtung eine optische Systemachse auf, wobei das Retardierungselement um diese optische Achse drehbar angeordnet ist.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist die Beleuchtungseinrichtung wenigstens zwei solcher Retardierungselemente auf. Diese zwei Retardierungselemente können insbesondere in Lichtausbreitungsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sein.
-
Zu weiteren bevorzugten Ausgestaltungen und Vorteilen der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung wird auf die vorstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Bezug genommen.
-
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.
-
Es zeigen:
-
1–8 schematische Darstellungen zur Erläuterung des Aufbaus und der Funktionsweise von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
-
9 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung.
-
Im Weiteren wird zunächst unter Bezugnahme auf 9 ein prinzipieller Aufbau einer erfindungsgemäßen mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage mit einer Beleuchtungseinrichtung 10 und einem Projektionsobjektiv 20 erläutert. Die Beleuchtungseinrichtung 10 dient zur Beleuchtung einer Struktur tragenden Maske (Retikel) 30 mit Licht von einer Lichtquelleneinheit 1, welche beispielsweise einen ArF-Excimerlaser für eine Arbeitswellenlänge von 193 nm sowie eine ein paralleles Lichtbündel erzeugende Strahlformungsoptik umfasst.
-
Die Beleuchtungseinrichtung 10 weist gemäß 1 insbesondere einen photoelastischer Modulator (PEM) 100, eine Spiegelanordnung 200 sowie eine optische Einheit 11 auf, die u. a. im dargestellten Beispiel einen Umlenkspiegel 12 umfasst. In Lichtausbreitungsrichtung nach der optischen Einheit 11 befindet sich im Strahlengang eine Lichtmischeinrichtung (nicht dargestellt), welche z. B. in für sich bekannter Weise eine zur Erzielung einer Lichtmischung geeignete Anordnung aus mikrooptischen Elementen aufweisen kann, sowie eine Linsengruppe 14, hinter der sich eine Feldebene mit einem Retikel-Maskierungssystem (REMA) befindet, welches durch ein in Lichtausbreitungsrichtung nachfolgendes REMA-Objektiv 15 auf die Struktur tragende, in einer weiteren Feldebene angeordnete Maske (Retikel) 30 abgebildet wird und dadurch den ausgeleuchteten Bereich auf dem Retikel begrenzt. Die Struktur tragende Maske 30 wird mit dem Projektionsobjektiv 20 auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht versehenes Substrat 40 bzw. einen Wafer abgebildet.
-
Der PEM 100 kann in für sich bekannter Weise über eine Anregungseinheit 105 zu akustischen Schwingungen angeregt werden, was zu einer von der Modulationsfrequenz abhängigen Variation der in dem PEM 100 erzeugten Verzögerung führt. Diese Modulationsfrequenz ist von der mechanischen Dimensionierung des PEM's 100 abhängig und kann typischerweise im Bereich von einigen 10 kHz liegen. Die Anregung des PEM 100 durch die Anregungseinheit 105 wird mit der Emission der Lichtquelleneinheit 1 durch eine geeignete Triggerelektronik korreliert.
-
Gemäß 1 befindet sich in Lichtausbreitungsrichtung unmittelbar nach dem PEM 100 eine Spiegelanordnung 200, welche in für sich bekannter Weise eine Mehrzahl von Spiegelelementen aufweist. Die Spiegelelemente sind zur Veränderung einer Winkelverteilung des von der Spiegelanordnung 200 reflektierten Lichtes unabhängig voneinander verstellbar, wobei eine Ansteuerungseinheit 205 zur Ansteuerung dieser Verstellung (z. B. über geeignete Aktuatoren) vorgesehen sein kann. In weiteren Ausführungsformen kann die Reihenfolge von PEM 100 und Spiegelanordnung 200 auch umgekehrt sein, so dass dann das Beleuchtungslicht zunächst auf die Spiegelanordnung 200 trifft und erst anschließend durch den PEM 100 hindurchtritt.
-
Unabhängig von der Reihenfolge sind jedoch, wie in 10 angedeutet, PEM 100 und Spiegelanordnung 200 im Strahlengang unmittelbar aufeinanderfolgend angeordnet, so dass eine geeignete Zuordnung zwischen jeweils einem bestimmten, von einem Lichtstrahl durchlaufenen Bereich auf dem PEM 100 einerseits zu einem bestimmten Spiegelelement der Spiegelanordnung 200 andererseits existiert.
-
Erfindungsgemäß wird also nicht etwa der gesamte, von der Lichtquelleneinheit 1 erzeugte Laserstrahl unmittelbar (etwa in der noch vor der Beleuchtungseinrichtung befindlichen Strahlzuführungseinheit) über den PEM 100 insgesamt in seinem Polarisationszustand manipuliert, sondern es werden im Betrieb der Beleuchtungseinrichtung Lichtstrahlen, die an unterschiedlichen Spiegelelementen der Spiegelanordnung 200 reflektiert werden, durch unterschiedliche Bereiche des PEM 100 gelenkt, wobei sich diese Bereiche hinsichtlich der jeweils durch den PEM 100 erzeugten Verzögerung voneinander unterscheiden, wie in 2 schematisch dargestellt ist.
-
Dabei können in Abwandlung des in 9 dargestellten Ausführungsbeispiels, in welchem der PEM 100 im Wesentlichen die gesamte Spiegelanordnung 200 abdeckt, auch mehrere PEM in einer zur Lichtausbreitungsrichtung senkrechten Ebene (x-y-Ebene) benachbart zueinander angeordnet sein, welche jeweils einer Gruppe („Cluster”) von Spiegelelementen der Spiegelanordnung 200 zugeordnet sind. Des Weiteren kann insbesondere auch eine Mehrzahl solcher PEM in einer matrixartigen Anordnung („array”) vorgesehen sein.
-
Des Weiteren kann in Ausführungsformen der Erfindung auch der PEM 100 relativ zu der Spiegelanordnung 200 mechanisch verschiebbar sein, womit auch Polarisationsanteile einstellbar sind.
-
In 3 ist die zeitliche Abhängigkeit der durch den PEM 100 bewirkten Verzögerung für einen fest vorgegebenen Ort, nämlich im Schwingungsbauch des über den PEM 100 erzeugten Schwingungsprofils, dargestellt, wobei dieser Ort beispielsweise einem der Spiegel zugeordnet ist, die sich im Aufbau von 2 im linken Bereich der Spiegelanordnung 200 befinden, wobei sich im Maximum eine Verzögerung von λ/2 (λ = Arbeitswellenlänge) ergibt.
-
Im Beispiel ist die im PEM 100 induzierte schnelle Achse der Doppelbrechung (in 2 mit „fa” bezeichnet) in einem Winkel von 45° zur Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts orientiert. Des Weiteren wird im Folgenden (ohne Beschränkung der Allgemeinheit) davon ausgegangen, dass das auf den PEM 100 auftreffende und durch die Lichtquelleneinheit 1 erzeugte Licht linear in y-Richtung (bezogen auf das in 1–2 eingezeichnete Koordinatensystem) polarisiert ist. Wie in 3 angedeutet verläuft zeitlich die aufgrund der Retardierungswirkung des PEM 100 erzeugte Polarisation von einer (für den Zeitpunkt t = 0 geltenden) linearen y-Polarisation (d. h. einer in y-Richtung verlaufenden Polarisationsvorzugsrichtung) über einen rechtszirkular polarisierten Zustand zu einem Zustand mit x-Polarisation (d. h. mit einer in x-Richtung verlaufenden Polarisationsvorzugsrichtung infolge der durch den PEM 100 bewirkten Polarisationsdrehung um 90°) und über einen linkszirkular polarisierten Zustand wieder zu einem Zustand mit y-Polarisation.
-
In weiteren Ausführungsformen kann, wie in 5b angedeutet, der PEM 100 auch um die optische Systemachse OA drehbar angeordnet sein.
-
Wie im Weiteren unter Bezugnahme auf 4–5 erläutert wird, können zusätzlich zu einer Grundschwingung (entsprechend einem sinusförmigen Schwingungsprofil) auch Oberschwingungen über den PEM 100 erzeugt werden. Dabei zeigt 4a noch eine Situation, in welcher vergleichsweise wenige Oberschwingungen erzeugt sind, so dass der sinusförmige Verlauf der Grundschwingung noch deutlich erkennbar ist. Indem nun gemäß 4b zusätzlich weitere Oberschwingungen erzeugt werden, erhält das resultierende, sich entlang des PEM 100 ausbildende Schwingungsprofil einen in zunehmendem Maße rechteckförmigen Verlauf.
-
Im konkreten Beispiel von 4b wird etwa für (in willkürlichen Einheiten angegebene Werte entlang der x-Achse im Bereich von 1 bis 3 ein im Wesentlichen konstanter positiver Doppelbrechungsbeitrag erhalten, der z. B. je nach angelegter Spannung einer Verzögerung von λ/2 oder λ/4 entsprechen kann. In dem auf dieses Plateau für steigende x-Werte folgenden steilen Abfall ergibt sich eine Veränderung des Polarisationszustandes, und zwar im Beispiel über einen linkszirkular polarisierten Zustand zu x-Polarisation (infolge der durch den PEM 100 bewirkten Polarisationsdrehung um 90°) und über einen rechtszirkular polarisierten Zustand wieder zu y-Polarisation im Bereich des nächsten Plateaus, etc.
-
Dieses Prinzip kann nun wiederum in Verbindung mit einer Spiegelanordnung 200 wie vorstehend beschrieben und in 5a schematisch dargestellt genutzt werden. Dabei ergibt sich ebenfalls wieder eine zeitliche Variation der durch den PEM 100 bewirkten Verzögerung für einen festen Ort auf dem PEM 100 (d. h. z. B. der sich ganz links in 5a ergebende Wert von λ/2 wird nach einer halben Periodendauer zu –λ/2), so dass auch hier wieder die Anregung des PEM 100 durch die Anregungseinheit 105 mit der Emission der Lichtquelleneinheit 1 geeignet korreliert wird.
-
Typischerweise wird der PEM 100 mit einer Frequenz von einigen 10 kHz betrieben, so dass die Periodendauer der angeregten Schwingung des PEM 100 groß ist im Vergleich zur Pulsdauer der Lichtquelleneinheit 1, welche typischerweise etwa 10 Nanosekunden (ns) betragen kann. Infolgedessen wirkt während der Dauer eines einzelnen Pulses auf einen durch den PEM 100 hindurchtretenden Lichtstrahl eine quasi-statische Verzögerung.
-
Wie im Weiteren unter Bezugnahme auf 8a–c erläutert wird, kann in weiteren Ausführungsformen der photoelastische Modulator auch derart zu mechanischen Schwingungen angeregt werden, dass über den optisch nutzbaren Bereich des photoelastischen Modulators ein zumindest abschnittsweise lineares, insbesondere ein dreieckförmiges Schwingungsprofil erzeugt wird.
-
Insbesondere kann gemäß 8b eine „Dreiecksmodulation” (d. h. ein zumindest näherungsweise dreieckförmiges Schwingungsprofil) realisiert werden. So kann, wie in 8b und 8c schematisch angedeutet, erreicht werden, dass das auf die einzelnen Spiegelelemente der Spiegelanordnung auftreffende Licht effektiv depolarisiert ist, so dass im Ergebnis durch elektronische Ansteuerung bzw. die Struktur des über eine Vielzahl von Oberschwingungen generierten Schwingungsprofils der mechanischen Schwingungen im photoelastischen Modulator effektiv die Funktionalität eines sogenannten Hanle-Depolarisators erzielt wird. Anstelle eines dreieckförmigen Schwingungsprofils kann, wie in 8a dargestellt, auch eine kontinuierlich abnehmende oder zunehmende Retardierung über die Ausdehnung des photoelastischen Modulators (d. h. ohne Erzeugung einer Mehrzahl von Schwingungsperioden über die Ausdehnung des photoelastischen Modulators) realisiert werden.
-
Wie im Weiteren unter Bezugnahme auf 6a–b sowie auf 8d–e erläutert wird, kann der photoelastische Modulator 100 auch in wenigstens zwei voneinander verschiedenen Raumrichtungen zu mechanischen Schwingungen angeregt werden.
-
Gemäß 6a wird mechanischer Druck über piezoelektrische Elemente nicht nur entlang der x-Richtung (d. h. in 6a von links und rechts) auf den PEM 100 ausgeübt, sondern zusätzlich auch entlang der y-Richtung (d. h. in 6a von oben und unten). Infolgedessen ergibt sich, wie aus 6a ersichtlich, ein schachbrettartiges Muster, in welchem sich die im PEM 100 erzeugten mechanischen Spannungen bzw. Doppelbrechungen entsprechend addieren. Durch eine zusätzlich vorgesehene (statische) λ/4 Platte, welche in Lichtausbreitungsrichtung vor oder nach dem PEM 100 angeordnet sein kann, kann in solcher Weise ein Offset in der Verzögerung von λ/4 eingestellt werden, dass im Ergebnis eine Modulation der Verzögerung zwischen den Werten 0 und λ/2 erzielt wird.
-
Im vorstehenden Beispiel lassen sich Polarisationsdrehungen um 90° oder 0° realisieren, da jeweils eine feststehende Ausrichtung der schnellen Achse der Doppelbrechung vorliegt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel lassen sich auch zwei der in 6a dargestellten PEM's hintereinander schalten und um einen Winkel von z. B. 45° relativ zueinander verdrehen, um andere Polarisationsrichtungen zu realisieren. Dabei können für solche PEM's die jeweils erzeugten Spannungsprofile sowohl in der Frequenz als auch in der Amplitude unabhängig voneinander variiert werden. So können etwa mit einem zusätzliche zu dem PEM aus 6a vorgesehenen zweiten PEM, welches um einen Winkel von 22.5° gegenüber dem ersten PEM verdreht ist, Drehungen der Polarisationsrichtung um ±45° erzielt werden.
-
Die Anregung des photoelastischen Modulators 100 zu mechanischen Schwingungen in wenigstens zwei voneinander verschiedenen Raumrichtungen kann gemäß 8d–e auch in Kombination mit Schwingungsprofilen erfolgen, wie sie unter Bezugnahme auf 8a–c beschrieben wurden. Dabei ist in 8d die Erzeugung jeweils eines linearen Schwingungsprofils in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen dargestellt, wohingegen gemäß 8e in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen jeweils ein dreieckförmiges Schwingungsprofil erzeugt wird.
-
In weiteren Ausführungsformen können, wie in 7a–b dargestellt, auch an ein- und demselben PEM mechanische Spannungen unter von 90° verschiedenen Winkeln eingebracht werden. Hierzu können z. B. vier piezoelektrische Elemente jeweils paarweise einander gegenüberliegend am PEM 120 bzw. 130 angebracht werden, wodurch in den PEM 120 bzw. 130 stehende Wellen in zueinander schrägen Richtungen (entsprechend den eingezeichneten Pfeilen P1, P2 bzw. P3, P4) eingekoppelt werden. Dies erfolgt gemäß 7a–b sowohl von einer horizontalen Fläche 121 bzw. 131 als auch von einer relativ zu dieser horizontalen Fläche 121 bzw. 131 geneigten Fläche 122 bzw. 132, wobei der Winkel zwischen den entsprechenden Ausbreitungsrichtungen der sich im PEM 120 bzw. 130 aufgrund der aus den unterschiedlichen Richtungen eingekoppelten mechanischen Schwingungen ausbildenden Wellen in 7a lediglich beispielhaft 22.5° und in 7b 45° beträgt. Mit „125” bzw. „135” ist in 7a–b jeweils der optisch genutzte Bereich bezeichnet, in welchem sich die o. g. Wellen überschneiden. Im Ergebnis wird beispielsweise gemäß 7b ein Maximalbetrag der Retardierung im dem optisch genutzten Bereich von λ/2 erzeugt, wobei die Polarisationsdrehung um einen Winkel von 45° erfolgt.
-
Die in 7a–b gewählten Winkel sowie die jeweils gewählten Spannungsmodulationen sind lediglich beispielhaft und können grundsätzlich auch in beliebiger anderer Weise gewählt werden.
-
Im Ergebnis lässt sich mittels des in 7a–b gezeigten Aufbaus die Richtung der jeweils induzierten schnellen Achse der Doppelbrechung kontinuierlich durchregeln, indem die an die piezoelektrische Elemente des PEM 100 angelegten elektrischen Felder unabhängig voneinander variiert werden, wobei die schnelle Achse im optisch genutzten Bereich 125 bzw. 135 kontinuierlich gedreht wird.
-
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
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2005/026843 A2 [0003]
- WO 2009/100862 A1 [0004]
- US 5886810 A1 [0005]
- US 5744721 A1 [0005]
- EP 0964282 A2 [0025]