Катадиоптрическая система - RU2192028C1
Код документа: RU2192028C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для записи и считывания информации, например, в качестве объектива для сканирующего оптического микроскопа или в системах, где требуется высокое разрешение, таких как устройства для записи и считывания оптической информации на носителях оптической памяти, системы фотолитографии, принтеры с высоким разрешением, а также для изготовления топографических оптических элементов методом точечной печати.
Особенностью любой катадиоптрической системы является наличие в ней отражающих поверхностей, в частности сферической поверхности, вблизи которой лучи света распространяются практически по нормали к этой поверхности. При этом не вносится каких-либо искажений в ход световых лучей, т.е. не вносятся аберрации.
Чем больше апертура катадиоптрической системы, тем выше разрешение, но при этом сложнее получить поле изображения достаточно больших размеров. Эта задача обычно решается смещением отображаемого объекта (предмета) с оптической оси системы, при этом ход лучей отклоняется от автоколлимационного хода. Если в качестве сферической поверхности используется сферическое зеркало, то оно вносит искажения в ход указанных лучей. Следовательно, поле зрения не может быть увеличено значительно.
В фотолитографии, например, обычно применяется известная катадиоптрическая система Дайсона, которая включает положительный оптический преломляющий элемент и сферическое зеркало, поверхности которых концентричны одна другой. Объект и изображение располагаются в зоне их общего центра кривизны, что не дает возможности получить изображение достаточно больших размеров.
Наиболее близкой к заявленному объекту изобретения является катадиоптрическая система, описанная в патенте US 6133986 (опубл. 17.10.2000). Для увеличения поля зрения в этой системе применяется растровый оптический элемент и дополнительная оптическая система с большим полем зрения, но с небольшой апертурой, которая переносит изображение растрового элемента на отражающую поверхность. Дополнительная система может быть использована так же, как модулятор излучения, чтобы получать требуемые изображения, меняя положение зеркал электромеханическим способом.
Недостатком известной катадиоптрической системы является не очень высокая апертура линзового растра. Для получения высокой апертуры необходимо использовать очень сложные элементы растра, что является трудоемкой с технологической точки зрения задачей, или применять асферические поверхности. Обычно апертура линз растра составляет 0,2-0,3, а разрешение порядка 10-20 мкм.
Задачей изобретения является создание такой катадиоптрической системы, с помощью которой можно получить большое поле изображения (поле зрения), не ухудшая при этом качества изображения.
Поставленная задача достигается посредством того, что в катадиоптрической системе, включающей, по меньшей мере, один преломляющий элемент, в зоне входной поверхности которого организуется предметная плоскость, по меньшей мере, один светоделительный элемент и, по меньшей мере, одну отражающую поверхность, образующие основную оптическую систему, которая выполнена с автоколлимационным ходом лучей вблизи указанной отражающей поверхности, согласно изобретению преломляющий элемент основной оптической системы разделен на, по меньшей мере, две разнесенные в пространстве части по поверхности раздела заданной формы, основная оптическая система снабжена: оптической компонентой, в центральной области которой размещен упомянутый светоделительный элемент и которая установлена между указанными частями преломляющего элемента с возможностью отображения с единичным увеличением поверхности раздела указанных частей одна на другую; кроме того, катадиоптрическая система снабжена дополнительной оптической системой с организованной на ее выходе плоскостью изображения; при этом дополнительная оптическая система выполнена идентично по составу и конфигурации части основной оптической системы, размещенной между предметной плоскостью и светоделительным элементом, и расположена зеркально-симметрично упомянутой части основной оптической системы относительно делительной плоскости светоделительного элемента.
Оптимально, чтобы отражающая поверхность была
сформирована на соответствующей части преломляющего элемента
Допустимо, чтобы поверхность раздела преломляющего элемента и отражающая поверхность были выполнены сферической формы.
Оптимально, чтобы преломляющий элемент был выполнен в виде линзового растра, а поверхность раздела каждой из двух его пространственно разделенных частей была выполнена в виде растровых ячеек, периодически повторяющих форму поверхности соответствующих им участков линзового растра, при этом отражающая поверхность должна быть сформирована по форме профиля линзового растра.
В ряде случаев необходимо, чтобы катадиоптрическая система дополнительно содержала совокупность плоских зеркал, которые должны быть установлены по ходу лучей основной и дополнительной оптических систем с возможностью обеспечения совмещения предметной плоскости с плоскостью изображения.
Для вышеуказанного варианта выполнения катадиоптрической системы линзовый растр, в частности, может быть выполнен с кольцевым расположением линз, при этом обе части растра основной оптической системы вместе с частью растра дополнительной оптической системы должны быть установлены на общем основании с возможностью вращения относительно их общей оси, а схема оптической взаимосвязи составляющих ее компонентов должна быть организована с возможностью обеспечения продольного увеличения (системы в целом), равного двум.
Изобретение поясняется графическими материалами.
На фиг. 1 представлен один из возможных вариантов выполнения преломляющего элемента, разделенного на две части по поверхности раздела сферической формы.
На фиг.2 и фиг.3 представлены возможные принципиальные схемы катадиоптрической системы с разделением предметной плоскости и плоскости изображения в пространстве (с использованием преломляющего элемента по фиг.1 и в виде линзового растра соответственно).
На фиг.4 и фиг.5 представлены возможные принципиальные схемы катадиоптрической системы с линзовым растром и с совмещенными (посредством системы плоских зеркал) предметной плоскостью и плоскостью изображения.
На фиг. 6 представлен линзовый растр для схемы по фиг.5.
На фиг.7 и фиг.8 представлен возможный вариант выполнения линзового растра на подложке полусферической формы (до и после соответственно разнесения его частей в пространстве).
Катадиоптрическая система включает, по меньшей мере, один преломляющий элемент 1, в зоне входной поверхности 2 которого организуется предметная плоскость 3; по меньшей мере, один светоделительный элемент 4 и, по меньшей мере, одну отражающую поверхность 5, образующие основную оптическую систему 6, которая (система 6) выполнена с автоколлимационным ходом лучей вблизи указанной отражающей поверхности 5. Преломляющий элемент 1 основной оптической системы 6 разделен на две разнесенные в пространстве части 7 и 8 по поверхности 9 и 91 раздела (соответственно) заданной формы. Основная оптическая система 6 снабжена: оптической компонентой 10, в центральной области которой размещен упомянутый светоделительный элемент 4 и которая (т.е. компонента 10) установлена между указанными частями 7 и 8 преломляющего элемента 1 с возможностью отображения с единичным увеличением поверхности 9 и 91 раздела указанных частей 7 и 8 (соответственно) одна на другую. Кроме того, катадиоптрическая система снабжена дополнительной оптической системой 11 с организованной на ее выходе плоскостью 12 изображения. Дополнительная оптическая система 11 расположена зеркально-симметрично соответствующей части основной оптической системы 6 относительно делительной плоскости 13 светоделительного элемента 4 и выполнена идентично как по составу, так и по конфигурации упомянутой части основной оптической системы 6, которая (т.е. упомянутая часть) размещена между предметной плоскостью 3 и светоделительным элементом 4.
Отражающая поверхность 5, как правило, формируется на соответствующей части 8 преломляющего элемента 1.
Согласно одному из частных вариантов выполнения (фиг.1 и фиг.2) поверхность 9 и 91 раздела преломляющего элемента 1 и отражающая поверхность 5 могут быть выполнены сферической формы.
Согласно другому варианту выполнения (например, фиг.3, фиг.4, фиг.5, фиг. 6) преломляющий элемент 1 может быть выполнен в виде линзового растра 14. В этом случае поверхность 9 и 91 раздела каждой из двух его пространственно разделенных частей 7 и 8 (соответственно) выполнена в виде растровых ячеек 15 и 16, периодически повторяющих форму поверхности соответствующих им участков линзового растра 14, при этом отражающая поверхность 5 сформирована на части 8 по форме профиля линзового растра 14.
Катадиоптрическая система согласно частным вариантам выполнения (например, по фиг. 4 и фиг.3) может дополнительно содержать совокупность плоских зеркал 17, которые должны быть установлены по ходу лучей основной и дополнительной оптических систем 6 и 11 (соответственно) с возможностью обеспечения совмещения предметной плоскости 3 с плоскостью изображения 12.
Линзовый растр 14 может быть выполнен с кольцевым расположением линз (фиг. 5 и фиг. 6), при этом обе части 7 и 8 растра 14 основной оптической системы 6 вместе с частями 151 растра 18 дополнительной оптической системы 11 устанавливаются на общем основании 19 с возможностью вращения относительно их общей оси 20. В этом случае оптимально, чтобы схема оптической взаимосвязи составляющих катадиоптрическую систему компонентов была организована с возможностью обеспечения продольного увеличения (системы в целом), равного двум.
Физический принцип действия (работы) патентуемой катадиоптрической системы заключается в следующем.
Особенностью заявленного объекта изобретения является разделение преломляющего элемента 1 катадиоптрической системы на две части 7 и 8, как показано, например, на фиг.1, где обе части 7 и 8 размещены оппозитно одна другой с небольшим зазором. В этом случае лучи света, исходящие от расположенного в предметной плоскости 3 объекта 21 (размещенного в центре кривизны отражающей сферической поверхности 5), проходят через поверхности 9 и 91 раздела практически без искажений. Отразившись от отражающей поверхности 5, световые лучи по тем же траекториям возвращаются обратно в центр кривизны оптической системы, формируя изображение там же, где размещен объект 21.
Согласно изобретению для того, чтобы разнести объект 21 и его изображение 211 в пространстве, указанные части 7 и 8 преломляющего элемента 1 пространственно разнесены вдоль оптической оси на некоторое расстояние, как показано на фиг. 2. Между ними размещается оптическая компонента 10, включающая светоделительный элемент 4. Эта компонента 10 основной оптической системы 6 имеет небольшую апертуру, но достаточно большое поле зрения.
Поверхность 9 и 91 раздела преломляющего элемента 1 должна иметь такую форму, чтобы выходящие из какой-либо части 7 или 8 преломляющего элемента 1 световые лучи проходили до входа в оптическую компоненту 10 примерно параллельно оптической оси основной оптической системы 6, как показано на фиг.2.
Посредством указанной компоненты 10 поверхность 9 раздела первой части 7 преломляющего элемента 1 отображается на поверхность 91 раздела второй части 8 этого элемента 1 с единичным увеличением. То есть любая точка объекта 21 с поверхности 9 части 7 переходит в соответствующую ей точку на поверхности 91 части 8 без каких-либо искажений.
Катадиоптрическая система работает следующим образом. Лучи света от объекта 21 (находящегося в предметной плоскости 3) проходят через первую часть 7 преломляющего элемента 1, затем через оптическую компоненту 10 со светоделительным элементом 4 (находящимся, например, в центре указанной компоненты 10) и попадают на поверхность 91 раздела второй части 8 преломляющего элемента 1. После преломления на указанной поверхности 91 (части 8) аберрации, приобретенные на поверхности 9 (части 7) раздела, компенсируются. Пройдя через вторую часть 8 преломляющего элемента 1, световые лучи автоколлимационно попадают на сферическую (фиг.2) отражающую поверхность 5, выполненную на упомянутой второй части 8. Отразившись, лучи проходят тот же путь (в обратном направлении) до делительной плоскости 13 светоделительного элемента 4, от которой они отражаются по направлению к дополнительной оптической системе 11. В процессе прохождения дополнительной оптической системы 11 световые лучи восстановят идеальное изображение 211 объекта 21 на выходной плоскости (или плоскости 12 изображения) элементов 151 (растра 18) дополнительной оптической системы 11 (идентичного части 7 основной оптической системы 6, например, по фиг. 3) за счет компенсации на поверхности раздела (входной поверхности) элементов 151 (растра 18) тех аберраций, которые были приобретены при выходе лучей из части 8 преломляющего элемента 1 на поверхности 91 раздела этой части 8.
Таким образом, сохраняя высокое качество изображения, данная катадиоптрическая система позволяет получить широкое поле изображения за счет разнесения в пространстве прямого и обратного хода световых лучей.
Как ранее указывалось, преломляющий элемент 1 может быть выполнен в виде линзового растра 14 (например, фиг.3), разделенного на первую и вторую части 7 и 8 соответственно по поверхности раздела 9 и 91 (соответственно), периодически повторяющей свою форму в каждой ячейке 15 и 16 растра 14. Каждая ячейка 16 растра 14 имеет отражающую поверхность в виде участка сферической поверхности. Оптическая компонента 10 обладает малой апертурой, но широким полем зрения и содержит симметричный светоделительный элемент 4, например, в виде светоделительного кубика. Для подсветки светоделительного элемента 4 целесообразно использовать дополнительный источник 22 света с системой 23 линз.
Поскольку в рассматриваемой катадиоптрической системе ход световых лучей восстанавливается в плоскости 12 изображения, размещенной в зоне выходной поверхности растра 18 дополнительной оптической системы 11, идентичного первой части 7 преломляющего элемента 1 (например, выполненного в виде линзового растра 14 согласно, например, фиг.3) основной оптической системы 6, то в каждой элементарной ячейке растров 14 и 18 можно использовать простейшие линзы со сферическими поверхностями. При этом достигается апертура от 0,65 до 0,8, а разрешение изображения можно получить на уровне половины длины волны излучения.
Более того, источник изображения (объект 21), размещенный в предметной плоскости 3, можно смещать в некоторых пределах относительно фокуса каждой линзы растра, поскольку ход лучей в данной схеме практически эквивалентен ходу лучей, проходящих из центра кривизны сферического зеркала и падающих по нормали на сферическую поверхность. То есть при смещениях указанного источника изображения относительно центра кривизны сферической поверхности ячеек линзового растра существует некая область достаточно больших размеров, в пределах которой качество изображения практически не ухудшается.
Такая растровая система может использоваться, когда объект 21 и его изображение 211 смещаются из фокуса линзового растра по случайному закону.
На фиг. 4 показана схема для случая, когда необходимо записать изображение (информацию) на движущийся носитель. Для этого система дополнительно содержит совокупность плоских зеркал 17, обеспечивающих совмещение предметной плоскости 3 с плоскостью изображения 12. Объект 21 и его изображение 211 в этом случае находятся на противоположных поверхностях, например, движущейся магнитной ленты 24. Изображение объекта 21 формируется в масштабе 1:1 и каждая точка этого изображения размещена, например, на магнитной ленте 24 строго противоположно соответствующей точке объекта 21. То есть при движении ленты 24 изображение объекта 21 автоматически отслеживает непосредственно этот объект 21.
На фиг. 5 показана схема с линзовыми растрами 14 и 18, все части 7, 8 и 71 которых размещены на общем основании 19, которое может вращаться вокруг оси 20 оптической системы. В данном случае растры 14 и 18 могут быть выполнены с кольцевым расположением линз. На фиг.6 представлен вид сверху указанного общего основания 19 с размещенными на верхней его поверхности первой и второй частями 7 и 8 (соответственно) преломляющего элемента 1 в виде кольцевого растра. Часть 7 линзового растра 14 (основной оптической системы 6) и идентичный ей растр 18 (71) дополнительной оптической системы 11 размещены на противоположных поверхностях основания 19. Светоделительный элемент 4 в виде полупрозрачного плоского зеркала расположен в центре основания ортогонально оптической оси системы, совмещенной с осью 20 вращения катадиоптрической системы. Плоские зеркала 17 ограничивают всю систему слева и справа и размещены ортогонально оптической оси системы. Каждая линза-ячейка 151 растра 18 дополнительной оптической системы 11 расположена строго противоположно соответствующей линзе (ячейке 15) первой части 7 линзового растра 14. Предметная плоскость 3 и плоскость изображения 12 размещены на противоположных сторонах неподвижного носителя 25, расположенного между вращающимися частями линзовых растров 14 и 18.
Как показано на фиг. 5, луч света от объекта 21 проходит через линзу (ячейку 15 части 7 линзового растра 14), отражается от правого зеркала 17 и попадает на светоделительный элемент 4. Затем, отразившись от него, падает снова на правое зеркало 17. Отразившись от последнего, луч света попадает на отражающую поверхность соответствующей линзы, т.е. ячейки 16 части 8 линзового растра 14. Далее луч идет по тому же пути в обратном направлении (в системе координат, связанной с вращающимся основанием 19) до светоделительного элемента 4. Пройдя светоделительный элемент 4, луч света направляется к левому зеркалу 17 и, отразившись от него, через соответствующую линзу, т.е. через часть 151 растра 18 дополнительной оптической системы 11, световой луч попадает на плоскость 12 изображения.
Такая схема позволяет уменьшить габариты катадиоптрической системы, а в случае записи и считывания информации позволяет существенно уменьшить время доступа к носителю информации, так как для смещения между дорожками оказывается достаточным обеспечить только поворот растров, а не осуществлять перемещение всей оптической системы в целом.
В определенном случае (когда при записи или считывании информации источник или приемник изображения должны быть неподвижны, а носитель движется) необходимо использовать части 7 и 8 растра 14 основной оптической системы 6 и линзовый растр 18 дополнительной оптической системы с различными фокусными расстояниями. При этом схема оптической взаимосвязи составляющих катадиоптрическую систему компонентов должна быть организована таким образом, чтобы суммарное продольное увеличение системы было бы равно двум, а носитель должен быть снабжен отражающим слоем со стороны, противоположной информационному слою. В этом случае для получения неподвижного вторичного изображения информационного слоя одно из плоских зеркал 17 можно выполнить полупрозрачным для того, чтобы за этим зеркалом можно было бы разместить объектив для формирования указанного изображения.
Одним из возможных вариантов выполнения преломляющего элемента 1 (фиг.6 и фиг. 7) является линзовый растр, выполненный на подложке сферической или, например, полусферической формы с центром кривизны в предметной плоскости 3. На фиг.7 представлена стеклянная полусфера в разрезе.
Сплошными линиями показаны поверхности 9 и 91 предполагаемого раздела полусферического преломляющего элемента 1 на первую часть 7 и линзы (ячейки 16) второй части 8 этого элемента 1. Сферическая поверхность преломляющего элемента 1 в этом случае выполнена в виде отражающей поверхности 5, представляющей собой совокупность предполагаемых отражающих поверхностей отдельных линз (ячеек 16) второй части 8 линзового растра 14.
На фиг.7 для ясности показаны первая часть 7 и линзы (ячейки 16) второй части 8 линзового растра основной оптической системы 5 отдельно одна от другой. Полная схема катадиоптрической системы для данного варианта выполнения преломляющего элемента условно не показана, поскольку специалисту в данной области должно быть понятным построение такой схемы по аналогии с вышеописанными схемами.
Первая часть 7 преломляющего элемента 1 представляет собой единую часть растра на подложке в виде полусферы (на фиг.8 подложка отмечена пунктирной линией). Вторая часть 8 растра 14 (или преломляющего элемента 1) представлена в виде отдельных линз (т.е. ячеек 16).
В данном варианте выполнения при размещении объекта 21 в центре кривизны сферической отражающей поверхности преломляющего элемента 1 изображение будет сформировано практически в той же точке (т.е. в идентичной точке растра 18 дополнительной оптической системы 11) с достаточно высоким разрешением, если поверхности 9 и 91 раздела будут выполнены сферическими. Апертура такой системы в два раза больше, чем в обычных (известных из уровня техники) системах, используемых, например, в фотолитографии. То есть разрешение можно увеличить примерно в 2-3 раза.
В катадиоптрической системе с линзовым растром, выполненным на подложке сферической или полусферической формы, оптическая компонента содержит несколько оптических каналов по количеству ячеек 16 растра, при этом может использоваться либо один общий для всех каналов светоделительный элемент 4, либо каждый канал должен иметь собственный светоделительный элемент 4.
Таким образом, заявленная катадиоптрическая система может быть использовано для записи и считывания информации, например, в качестве объектива для сканирующего оптического микроскопа или в системах, где требуется высокое разрешение, таких как устройства для записи и считывания оптической информации на носителях оптической памяти, системы фотолитографии, принтеры с высоким разрешением, а также для изготовления голографических оптических элементов методом точечной печати.
Реферат
Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для записи и считывания информации. Катадиоптрическая система включает по меньшей мере один преломляющий элемент, в зоне входной поверхности которого организуется предметная плоскость, по меньшей мере один светоделительный элемент и по меньшей мере одну отражающую поверхность, образующие основную оптическую систему, которая выполнена с автоколлимационным ходом лучей вблизи указанной отражающей поверхности. Преломляющий элемент основной оптической системы разделен на по меньшей мере две разнесенные в пространстве части по поверхности раздела заданной формы. Основная оптическая система снабжена оптической компонентой 10, в центральной области которой размещен упомянутый светоделительный элемент и которая установлена между указанными частями преломляющего элемента с возможностью отображения с единичным увеличением поверхностей раздела указанных частей одна на другую. Кроме того, катадиоптрическая система снабжена дополнительной оптической системой с организованной на ее выходе плоскостью изображения. При этом дополнительная оптическая система выполнена идентично по составу и конфигурации основной оптической системе и расположена зеркально-симметрично упомянутой части основной оптической системы относительно делительной плоскости светоделительного элемента. Аберрации, приобретенные на поверхности раздела одной части преломляющего элемента, компенсируются после преломления на поверхности другой части преломляющего элемента. Технический результат: получение широкого поля зрения без ухудшения качества изображения. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.
