Stand der Technik Bei der Verwendung von kohärenten Lichtquellen in optischen Systemen treten in- folge von Interferenzerscheinungen oder auch niederfrequenten Amplitudenmodula- tionen Speckle auf, die sich als fleckenartige Leuchtdichteschwankungen störend bemerkbar machen.

Aus dem Stand der Technik sind bereits vielfältige Verfahren und Vorrichtungen zur Verminderung der Speckle bekannt, die sich in drei Kategorien einteilen lassen. Eine erste Möglichkeit besteht in der Verringerung der zeitlichen Kohärenz des Lichts, eine weitere in der Verringerung der räumlichen Kohärenz und eine dritte in einer schnellen Bewegung der Speckle, so daß diese durch das menschliche Auge oder eine entsprechende Empfangseinrichtung nicht mehr wahrnehmbar sind.

Ein Verfahren der eingangs genannten Art, das auf die Verminderung der zeitlichen Kohärenz abstellt, wird beispielsweise in der DE 195 01 525 C1 beschrieben. Neben

der Möglichkeit, mikrostrukturierte Phasenplatten einzusetzen, durch welche das Lichtstrahlenbündel zum Zweck der Verminderung der zeitlichen Kohärenz hin- durchtritt, wird hier weiterhin auch die Möglichkeit offenbart, eine solche Phasen- platte mit einer phasenverschiebenden Oberflächenstruktur reflektierend auszubil- den. Im erstgenannten Fall ergibt sich aufgrund des Durchtritts durch ein Medium mit einer hohen Dichte eine gewisse Schwächung der Intensität. Überdies können über die Aufbrechung der Kohärenz hinausgehende Veränderungen der optischen Eigenschaften des Beleuchtungslichts auftreten. Im Falle der reflektierenden Pha- senplatte ergibt sich zwangsläufig eine Umlenkung des Lichtstrahlenbündels.

Eine weitere Möglichkeit zur Verminderung von Speckle unter Verwendung reflektie- render Oberflächen wird in der WO 97/02507 AI beschrieben. Die dort vorgeschla- gene Lösung umfaßt einen Drehspiegel, der von einem konischen Reflektor umge- ben ist. Infolge der Rotation des Drehspiegels streicht das Lichtstrahlenbündel über eine Mantelfläche des konischen Reflektors, so daß für eine Umdrehung des Dreh- spiegels eine schnelle Bewegung bzw. eine Mischung der Speckle erfolgt, wodurch diese nicht mehr wahrgenommen werden können. Eine Mikrostrukturierung des Drehspiegels oder des konischen Reflektors ist in diesem Fall nicht vorgesehen.

Zur Verminderung von Speckle ist es weiterhin aus der WO 01/35451 A1 bekannt, ein Lichtstrahlenbündel mittels einer Vielzahl von in den Beleuchtungsstrahlengang eingekoppelten Einzelreflektoren in einzelne Teilstrahlenbündeln mit unterschiedli- cher optischer Weglänge aufzuspalten, wobei die Weglängenunterschiede größer als die zeitliche Kohärenzlänge sind. Bei der in der WO 01/35451 A1 vorgeschlagenen Lösung ergibt sich wiederum eine Ablenkung des Lichtstrahlenbündels. Dabei wird jedoch jeder Abschnitt des Lichtstrahlenbündels lediglich ein einziges Mal reflek- tiert. Eine Mikrostrukturierung der Einzelreflektoren ist hier nicht vorgesehen.

Aufgrund der Vielzahl der im Vergleich zu der Wellenlänge verhältnismäßig großen Einzelreflektoren können Abschattungseffekte auftreten, welche die Leuchtintensität tendenziell vermindern. Zudem tritt eine deutliche Strahlaufweitung auf, die durch geeignete Linsen kompensiert werden muß.

Beschreibung der Erfindung Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine weitere Möglich- keit zur Verminderung von Speckle zu schaffen, ohne dabei die Intensität des Licht- strahlenbündels wesentlich zu schwächen.

Erfindungsgemäß wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art das Licht- strahlenbündel mit wenigstens zwei reflektierenden Oberflächen in Wechselwirkung gebracht, von denen jede eine phasenverschiebende Mikrostrukturierung aufweist, über die das Lichtstrahlenbündel in Teilstrahlenbündel aufgespalten wird, wobei die optischen Weglängen zwischen den reflektierenden Oberflächen sich um mehr als die zeitliche Kohärenzlänge unterscheiden.

Aufgrund der Reflexion des Lichtstrahlenbündels an wenigstens zwei Oberflächen können die phasenverschiebenden Mikrostrukturierungen in ihren Abmessungen verhältnismäßig klein gewählt werden, wodurch sich Abschattungseffekte weniger stark auswirken und sich somit die Intensität des Lichtstrahlenbündels nur in gerin- gem Maße abschwächen kann. Wegen der zwischen den reflektierenden Oberflächen bewirkten Phasenverschiebung zwischen den Teilstrahlenbündeln wird die Kohärenz des Lichtstrahlenbündels aufgebrochen und damit dessen Interferenzfähigkeit, die eine Ursache für die Bildung von Speckle ist, vermindert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird das Lichtstrahlenbündel mehrfach zwischen den reflektierenden Oberflächen hin-und herreflektiert. Die Strukturtiefen an den reflektierenden Oberflächen lassen sich so auf ein Minimum verringern.

Im Hinblick auf eine kompakte Bauweise sowie die weitere Verminderung von Ab- schattungs-und Versatzeffekten ist es vorteilhaft, den Einfallswinkel des Licht- strahlenbündels zu der Flächennormalen der reflektierenden Oberflächen so klein wie möglich zu halten. In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens sind die reflektierenden Oberflächen einander parallel gegenüberliegend angeordnet. Durch die Einkopplung des Beleuchtungsstrahlengangs in einem Win- kelbereich zwischen 0° und 15°, vorzugsweise zwischen 0° und 10-zur Flächennor- malen der beiden reflektierenden Oberflächen läßt sich eine hohe Leuchtdichte des Lichtstrahlenbündels auch nach mehreren Reflexionen gewährleisten.

Eine weitere Verminderung der Interferenzfähigkeit wird vorzugsweise dadurch er- reicht, daß die laterale Ausdehnung der Teilstrahlenbündel nach den kaskadenarti- gen Reflexionen an den reflektierenden Oberflächen kleiner als die räumliche Kohä- renzlänge ist.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des-Verfahrens können die reflektie- renden Oberflächen relativ zueinander bewegt werden. Die Relativbewegung kann dabei sowohl durch eine Verschiebung in der Ebene der Mikrostrukturierung als auch durch eine Veränderung des Abstands zwischen den reflektierenden Oberflä- chen realisiert werden. Hierdurch wird eine weitere Verminderung der Interferenzfä- higkeit des Lichtstrahlenbündels erzielt.

Zur Lösung der oben genannten Aufgabe wird weiterhin eine Vorrichtung zur Ver- minderung von Speckle in einem optischen System vorgeschlagen, bei der zwei mit phasenverschiebender Mikrostrukturierung versehene Reflektoren einander parallel gegenüberstehend angeordnet sind und die Mikrostrukturierung derart ausgebildet ist, daß das Lichtstrahlenbündel bei aufeinander folgenden Reflexionen an den Re- flektoren in Teilstrahlenbündel aufgespalten wird, deren optische Wege sich um mehr als die zeitliche Kohärenzlänge unterscheiden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die bereits oben erläuterten Vorteile auf.

Durch Mehrfachreflexion des Lichtstrahlenbündels an den Reflektoren wird eine Kaskadierung erreicht, die neben einer kompakten Bauweise bei geringen Struktur- tiefen auf den Reflektoren eine ausreichend hohe optische Wegdifferenzen erlaubt.

In einer bevorzugten Gestaltungsvariante sind zwei Reflektoren vorgesehen, die parallel zueinander angeordnet sind.

Vorzugsweise wird das Lichtstrahlenbündel in einem Winkelbereich zwischen 0° und 15°, bevorzugt zwischen 0° und 10'zu der Flächennormalen der Reflektoren zwi- schen diese eingekoppelt. Wie bereits oben erwähnt, können so Abschattungs-und Versatzeffekte gering gehalten werden. Damit bleibt die Intensität des Lichtstrah- lenbündels weitestgehend erhalten.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung wird die Mikrostrukturierung durch Vertiefungen gebildet, deren Tiefe im Bereich von 0, 1 um bis 1000 um liegt.

Mit einer derartigen Mikrostrukturierung versehene Reflektoren lassen sich bei-

spielsweise durch anisotrope Trockenätzverfahren an Silizium herstellen. Dies ist beispielsweise in der US 5,501, 893 A beschrieben.

Beispielsweise können die Strukturen in Abhängigkeit vom Abstand der Reflektoren in einem photolithographischen Schritt definiert werden. Die Siliziumoberflächen werden dann entsprechend der Wellenlänge des Lichtstrahlenbündels metallisch oder mit einer dielektrischen Schicht verspiegelt. Bei einer minimalen Anzahl von Reflexionen an den beiden Reflektoren beträgt die Tiefe bzw. Stufenhöhe der Mi- krostrukturierung mindestens die Hälfte der zeitlichen Kohärenzlänge L..,. Werden für das Lichtstrahlenbündel mehr als eine Reflexion je Reflektor vorgesehen, kann die Tiefe bzw. Stufenhöhe auch kleiner gewählt werden. Im erstgenannten Fall wird jedoch stets gewährleistet, daß eine ausreichende Weglängendifferenz bzw. Phasen- verschiebung zwischen den Teilstrahlenbündeln des Lichtstrahlenbündels erhalten wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung erstreckt sich die Mi- krostrukturierung auf den reflektierenden Oberflächen über jeweils gleiche Flächen- abschnitte mit einer maximalen Seitenlänge a, für die gilt a < (n-1)-Ax, wobei n die Anzahl der Reflexionen des Lichtstrahlenbündels an den Reflektoren und Ax die räumliche Kohärenzlänge bedeuten. Auf diese Weise wird zusätzlich die räumliche Kohärenz des Lichtstrahlenbündels und damit dessen Interferenzfähigkeit zusätzlich verringert.

Zur weiteren Verminderung von Speckle kann überdies eine Antriebseinrichtung zur Erzeugung einer oszillierenden Relativbewegung zwischen den Reflektoren vorgese- hen werden. Diese können sowohl in der Erstreckungsebene der reflektierenden Flächen als auch senkrecht dazu zu Schwingungen angeregt werden, woraus eine Mischung auftretender Speckle resultiert, die dann nicht mehr optisch wahrnehmbar in Erscheinung treten. Frequenzen in der Größenordnung von 10 Hz haben sich hierfür in den meisten Fällen als ausreichend erwiesen. Allerdings lassen sich mit mikro-elektro-mechani-schen Systemen (MEMS) auch Frequenzen von mehreren 100 kHz realisieren.

Weiterhin ist es möglich, die reflektierenden Oberflächen bei beiden Reflektoren lediglich abschnittsweise mit einer Mikrostrukturierung zu versehen, so daß un-

strukturierte reflektierende Flächenabschnitte mit strukturierten reflektierenden Flächenabschnitten abwechseln. Die unstrukturierten und strukturierten Flächenab- schnitte sind dabei derart angeordnet, daß ein durch die Vorrichtung hindurchtre- tendes Lichtstrahlenbündel zwischen den strukturierten Flächenabschnitten hin- und herreflektiert wird. Der Herstellungs-bzw. Bearbeitungsaufwand für die Reflek- toren kann so gering gehalten werden.

Vorzugsweise werden auch die unstrukturierten Flächenabschnitte derart angeord- net, daß in einer ausgewählten Stellung der Reflektoren ein durch die Vorrichtung hindurchtretendes Lichtstrahlenbündel ausschließlich zwischen unstrukturierten Flächenabschnitten hin-und herreflektiert wird. Dies kann durch einen Umschaltme- chanismus ermöglicht werden, so daß je nach Bedarf auf einfache Weise zwischen einem Lichtstrahlenbündel mit hoher Kohärenz und geringer Kohärenz umgeschal- tet werden kann.

Da das erfindungsgemäße Verfahren sowie auch die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne refraktive oder diffraktive optische Elementen auskommen, vielmehr aus- schließlich mit reflektiven Elementen arbeiten, ist die Erfindung auch für Systeme anwendbar, die im tiefen UV-Bereich (DUV) betrieben werden.

Kurze Beschreibunc, lder Zeichnungen Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die zugehörigen Zeichnungen zeigen in : Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung nach der Erfindung mit zwei einander parallel gegenüberliegenden Reflektoren, Fig. 2 Ausschnitte einer Mikrostrukturierung an der Oberfläche der Reflektoren aus Fig. 1 sowie der zugehörigen Veränderung der Wellenfront eines Lichtstrahlenbündels, Fig. 3 eine Detailansicht eines Ausschnittes aus der Oberfläche eines Reflek- tors im Bereich der Mikrostrukturierung, und in Fig. 4 eine schematische Ansicht der Wellenfront eines Lichtstrahlenbündels (a) vor der erfindungsgemäßen Vorrichtung und (b) hinter der erfindungs- gemäßen Vorrichtung.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Das Ausführungsbeispiel zeigt in schematischer Darstellung eine Vorrichtung zur Verminderung von Speckle, die zum Einsatz in optischen Systemen mit kohärenten Lichtquellen, insbesondere Laserlichtquellen, geeignet ist.

Die Vorrichtung umfaßt zwei Reflektoren 1 und 2, die an ihren reflektierenden Ober- flächen jeweils eine phasenverschiebende Mikrostrukturierung aufweisen. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Reflektoren 1 und 2 mit ih- ren reflektierenden Oberflächen einander parallel gegenüberliegend angeordnet.

Zur Verminderung insbesondere der zeitlichen Kohärenz wird ein Lichtstrahlenbün- del derart zwischen den Reflektoren 1 und 2 eingekoppelt, daß das Lichtstrahlen- bündel mit jeder reflektierenden Oberfläche der Reflektoren 1 und 2 wenigstens einmal in Wechselwirkung steht.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel wird das eintretende Lichtstrahlenbündel B mehrfach zwischen den reflektierenden Oberflächen der Reflektoren 1 und 2 hin- und hergeworfen, bevor das Lichtstrahlenbündel B verändert aus der Vorrichtung austritt.

Die Mikrostruktur auf den reflektierenden Oberflächen der Reflektoren 1 und 2 ist derart ausgebildet, daß das Lichtstrahlenbündel B in Teilstrahlenbündel aufgespal- ten wird. Die lokalen optischen Weglängen dieser Teilstrahlenbündel innerhalb der Vorrichtung unterscheiden sich voneinander, wobei Weglängendifferenzen auftre- ten, welche größer als die zeitliche Kohärenzlänge L sind. Durch die damit ver- bundene Verminderung der Kohärenz bzw. Interferenzfähigkeit des Lichtstrahlen- bündels B'am austrittseitigen Ende der Vorrichtung werden Speckle reduziert, und zwar vorzugsweise auf ein solches Maß, daß deren Wahrnehmung durch einen Be- trachter oder eine optoelektronische Empfangsvorrichtung nicht mehr möglich ist.

Die hierfür verwendeten Mikrostrukturen an den Oberflächen der Reflektoren 1 und 2 sind in den Fig. 2 und Fig. 3 beispielhaft dargestellt. Zum Zwecke der Erzeugung lokaler optischer Wegdifferenzen sind an den reflektierenden Oberflächen Vertie- fungen vorgesehen, die hier etwa stufenförmig ausgebildet sind.

Wie Fig. 3 zeigt, besitzen die Vertiefungen bzw. Stufen eine Höhe in der Größenord- nung der halben zeitlichen Kohärenzlänge L h. Trifft ein kollimiertes Lichtstrahlen- bündel B auf eine solche Stufe, so ergibt sich an einer Kante der Stufe eine Aufspal- tung in zwei Teilstrahlenbündel, woraus unterschiedliche optische Weglängen für die Teilstrahlenbündel zugleich mit einer Phasenverschiebung erhalten werden.

Bei mehrfachen Reflexionen an den reflektierenden Flächenabschnitten 3a, 3b und 3c, die ausschnittsweise im Detail in Fig. 2b vergrößert dargestellt sind, kann das Lichtstrahlenbündel B in eine Vielzahl von Teilstrahlenbündel aufgespalten werden.

Die laterale Ausdehnung der Mikrostrukturen bzw. von Teilbereichen der Mi- krostrukturen ist derart gewählt, daß auch die räumliche Kohärenz aufgehoben wird, wie dies in Fig. 2a für eine Wellenfront dargestellt ist, die aufeinanderfolgend an den Flächenabschnitten 3a, 3b und 3c reflektiert worden ist.

Das Aufbrechen der räumlichen Kohärenz Ax ist durch die Auflösung der Wellen- front quer zu deren Ausbreitungsrichtung gegeben. Der Unterschied einer Wellen- front zwischen dem eintritt-und dem austrittseitigen Ende der Vorrichtung ist in Fig. 4 dargestellt, wobei die gerade Linie bei (a) eine Wellenfront von kohärentem Licht am eintrittseitigen Ende darstellt.

Aufgrund der Kaskadierung der Reflexionen und wie auch durch eine geeignete Wahl der Mikrostrukturierung, insbesondere durch die Ausbildung und Anordnung der Ränder der Vertiefungen, wird eine gute Durchmischung der Phasenraumzellen des Lichtstrahlenbündels B erzielt, nämlich indem die Phasenraumzellen räumlich, insbesondere auch in Strahlausbreitungsrichtung, versetzt werden.

Die Kaskadierung besitzt überdies den Vorteil, daß hohe Wegdifferenzen zwischen diesen Phasenraumzellen bei geringen Strukturtiefen an den Reflektoren 1 und 2 erzielt werden können. Bei einer Mehrfachreflexion kann die gewünschte Weglän- gendifferenz auch kumulativ durch Vertiefungen bzw. Stufen an mehreren reflektie- renden Flächenabschnitten 3a, 3b und 3c erhalten werden, so daß die Tiefe der Strukturen auch kleiner als in Fig. 3 gezeigt gewählt werden kann.

Zur Vermeidung von Abschattungs-und Versatzeffekten, welche zu Lichtverlusten führen, wird das Lichtstrahlenbündel B unter einem möglichst kleinen Einfallswinkel a zur Flächennormalen der Reflektoren 1 und 2 eingekoppelt. Vorzugsweise liegt

der Einfallswinkel im Bereich zwischen 0° und 15°, besonders bevorzugt zwischen 0° und 10°.

Die Mikrostruktur läßt sich beispielsweise mittels eines anisotropen Trockenätzver- fahrens in Silizium herstellen, wie dies beispielsweise in der US 5,501, 893 A1 offen- bart ist. Damit sind Vertiefungen bzw. Stufen mit einer lateralen Ausdehnung von 0,1 um bis 1000 um bei Aspektverhältnissen (Breite : Tiefe) von 1 : 50 herstellbar.

Die Strukturierung sowie der Abstand der Reflektoren 1 und 2 können in einem fo- tolithographischen Schritt definiert werden. Zur Erhöhung der Reflektivität werden die Oberflächen entsprechend der Wellenlänge des Beleuchtungslichts metallisch oder mit einer dielektrischen Schicht 5 verspiegelt.

Prinzipiell ist es möglich, die gesamte reflektierende Oberfläche beider Reflektoren 1,2 durchgehend mit einer einheitlichen Mikrostrukturierung zu versehen. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Mikrostrukturierung jedoch lediglich abschnittsweise vorgenommen, so daß auf jedem Reflektor 1 bzw. 2 sowohl struk- turierte reflektierende Flächenabschnitte 3a, 3b und 3c wie auch unstrukturierte reflektierende Flächenabschnitte 4 vorhanden sind. Die Positionierung der Flächen- abschnitte erfolgt dabei so, daß ein durch die Vorrichtung hindurchtretendes Licht- strahlenbündel B zwischen den strukturierten Flächenabschnitten 3a, 3b und 3c hin- und herreflektiert wird. Gleiches gilt vorzugsweise auch für die Anordnung der un- strukturierten Flächenabschnitte 4 bezogen auf eine andere Eintrittsposition des Lichtstrahlenbündels B. Durch jeweilige Verschiebung der Reflektoren 1, 2 relativ zu dem einfallenden Lichtstrahlenbündel B wird so eine Möglichkeit geschaffen, wahl- weise zwischen kohärentem Licht und Licht mit verringerter Kohärenz am aus- trittseitigen Ende umzuschalten.

Bei entsprechender Ausdehnung der strukturierten Flächenabschnitte 3a, 3b und 3c kann überdies durch eine Bewegung der Vorrichtung eine weitere Verminderung der Speckle erzielt werden. Denkbar ist auch eine Relatiwerschiebung zwischen den Reflektoren 1 und 2, die sowohl in der Ebene der einzelnen Reflektoren als auch senkrecht hierzu erfolgen kann. Mit Anregungsfrequenzen in der Größenordnung von 10 Hz können so Speckle für das menschliche Auge unsichtbar gemacht wer- den.

Das Ausführungsbeispiel wurde anhand zweier parallel zueinander angeordneter Reflektoren 1 und 2 beschrieben. Es ist jedoch auch möglich eine größere Anzahl von Reflektoren bzw. von reflektierenden Oberflächen einzusetzen. Weiterhin kön- nen die Reflektoren bzw. Oberflächen in Abweichung von der Parallelanordnung unter einem anderen Winkel zueinander angestellt werden, solange eine Wechsel- wirkung des Lichtstrahlenbündels B noch gewährleistet ist.

Da die erläuterte Vorrichtung ausschließlich reflektive Elemente verwendet, ist diese auch gut für energiereichere Strahlung, insbesondere auch im DUV-Bereich, einsetz- bar.

Beispielsweise kann die Vorrichtung in einem DUV-Beleuch-tungssystem vor einer Streuscheibe oder einem Mikrolinsenarray zur Einstellung eines gewünschten Licht- leitwertes angeordnet werden. In einer günstigen Ausführungsvariante ergibt sich somit eine Beleuchtungsvorrichtung, welche eine definiert streuende reflektive Mi- krospiegelstruktur als letztes Element im Strahlengang verwendet.

Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die bisher beschriebenen Ausführungsbei- spiele. So ist es zum Beispiel weiterhin denkbar, in der erfindungsgemäßen Anord- nung sich gegenüberstehende Reflektorflächen vorzusehen, die zweidimensional strukturiert sind, wodurch bei der Mehrfachreflexion die räumliche Kohärenz in bei- den lateralen Richtungen gleichzeitig vermindert wird.