Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Strahlmanipulierer
mit verbesserten Charakteristika oder ein verbessertes Verfahren
zum Steuern eines Pfads eines Strahls zu schaffen.
Diese
Aufgabe wird durch einen Strahlmanipulierer gemäß Anspruch 1, 10 oder 14 oder
ein Verfahren gemäß Anspruch
21 gelöst.
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung kombiniert ein Kompakt-Modulstrahlmanipulierer einen Risley-Prismensatz
und einen Parallelplattentranslator, um ungekoppelte Einstellungen
von sowohl der Richtung als auch der Position eines Strahls zu liefern.
Die optischen Elemente können
in optischen Halterungen fest sein, die eine relative Drehung liefern.
Die Befestigungen erlauben eine Drehung der optischen Elemente um ausgewählte Achsen.
Die Ausrichtung oder Drehung der optischen Halterungen kann von
Hand oder mit einem Werkzeug (z. B. einem Werkzeugstab) durchgeführt werden,
was eine Ausrichtungspräzision
verbessert. Sobald die Position und die Richtung eines Strahls wie
erwünscht
eingestellt sind, können
die optischen Elemente durch mechanische Mittel (z. B. Preßpassen
oder Einspannen) und/oder durch ein Haftmittel an ihrem Ort „verriegelt" werden. Haftmittel
werden verwendet, um die optischen Elemente an den optischen Halterungen
anzubringen. Das Haftmittel kann auf eine derartige Weise aufgebracht
werden, um die Wirkungen von Temperatur, Feuchtigkeit und Bewegung
der optischen Elementen zu minimieren und belastungsinduzierte Doppelbrechung
zu minimieren, wenn die optischen Halterungen an ihrem Ort eingespannt
werden.
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Risley-Prismensatz angebracht, um eine relative und übereinstimmende
Drehung um eine erste Achse, die eine Richtung nahe der Richtung
eines Strahls aufweist, der manipuliert wird, sowie um eine zweite
und eine dritte Achse zu erlauben, die im wesentlichen senkrecht
zu der ersten Achse und zueinander sind. Ein Verwenden dicker Keile
in dem Risley-Prismensatz
erlaubt eine Einstellung von sowohl der Strahlrichtung als auch
der Strahlposition und liefert einen sehr kompakten Strahlmanipulierer,
der in einer Anwendung verwendet werden kann, die eingeschränkten Raum
aufweist. Drehungen um jede der Achsen können sowohl die Richtung als
auch die Position des Ausgabestrahls beeinflussen und ein iterativer
Einstellungsprozeß wird
unter Umständen
benötigt,
um die erwünschte
Position und Richtung des Strahls zu erzielen.
Ein
spezifisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein Strahlmanipulierer, der Strahlpositionseinstellungen
liefert, die unabhängig
von den Strahlrichtungseinstellungen sind. Der Strahlmanipulierer
umfaßt eine
optische Platte, die gegenüberliegende
parallele Oberflächen
aufweist, einen ersten und einen zweiten optischen Keil entlang
eines optischen Pfades durch die Platte und eine Befestigungsstruktur
für die
Platte und den ersten und den zweiten Keil. Die Befestigungsstruktur
liefert im allgemeinen folgende Einstellungen: Drehung des ersten
Keils um den optischen Pfad; unabhängige Drehung des zweiten Keils
um den optischen Pfad und Einstellung von Neigungs- und Gierwinkel
der Platte relativ zu dem optischen Pfad.
Eine
exemplarische Konfiguration der Befestigungsstruktur umfaßt eine
Basis, eine erste optische Befestigung für die Platte und eine zweite
optische Befestigung für
die Keile. Die erste und die zweite optische Befestigung sind an
der Basis angebracht, um einen Modulstrahlmanipulierer zu liefern,
der in einer Vielzahl optischer Systeme verwendet werden kann. Die
erste optische Befestigung kann eine optische Halterung, an der
die Platte angebracht ist, und eine Struktur umfassen, die an der
Basis auf eine Weise angebracht ist, die eine Drehung der Struktur
um eine erste Achse erlaubt. Die optische Halterung ist auf eine
Weise an der Struktur angebracht, die eine Drehung der optischen
Halterung um eine zweite Achse, senkrecht zu der ersten Achse, erlaubt.
Die zweite optische Befestigung kann eine Struktur umfassen, die
an der Basis angebracht ist, wobei der erste Keil auf einer ersten
Seite einer Öffnung
durch die Struktur befestigt ist und der zweite Keil auf einer zweiten
Seite der Öffnung
befestigt ist.
Ein
weiteres spezifisches Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein Strahlmanipulierer, der einen ersten und einen
zweiten Keil und eine Befestigungsstruktur umfaßt. Die Befestigungsstruktur
liefert folgende Einstellungen: Drehung des ersten Keils um einen
optischen Pfad des Strahls; unabhängige Drehung des zweiten Keils
um den optischen Pfad und Einstellung eines Neigungswinkels bzw.
Pitchwinkels und eines Gierwinkels des Keilsatzes relativ zu dem
optischen Pfad.
Ein
Ausführungsbeispiel
der Befestigungsstruktur für
diesen „Trans-Keil"-Strahlmanipulierer
umfaßt eine
erste und eine zweite Struktur. Der erste Keil ist auf einer ersten
Seite einer Öffnung
durch die erste Struktur befestigt und der zweite Keil ist auf einer
zweiten Seite der Öffnung
befestigt. Eine Klemme für
die erste Struktur weist einen ausgespannten Zustand, der Drehungen
des ersten und des zweiten Keils erlaubt, und einen eingespannten
Zustand auf, der die Ausrichtungen des ersten Keils und des zweiten
Keils relativ zu der ersten Struktur fixiert. Die zweite Struktur
ist an der ersten Struktur auf eine Weise angebracht, die eine Drehung
der ersten Struktur um eine erste Achse erlaubt, während die
zweite Struktur um eine zweite Achse gedreht werden kann.
Noch
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist ein Verfahren zum Steuern eines Pfades eines Strahls
unter Verwendung eines „Trans-Keil"-Manipulierers. Das
Verfahren umfaßt
folgende Schritte: (a) Plazieren eines Keilsatzes, der einen ersten
Keil und einen zweiten Keil umfaßt, in einem Pfad des Strahls;
(b) Drehen des ersten Keils und/oder des zweiten Keils um den Pfad,
um den Strahl in Richtung einer Zielrichtung abzulenken; und (c)
Einstellen eines Winkels zwischen dem Pfad und einer Achse durch
den Keilsatz, um den Strahl in Richtung einer Zielposition umzusetzen.
Eine Bestimmung dessen, ob Schritt (c) den Strahl innerhalb eines
erforderlichen Winkels der Zielrichtung hinterläßt, kann durchgeführt werden,
wobei nach der Bestimmung Schritt (b) wiederholt wird, wenn der
Strahl außerhalb
des erforderlichen Winkels liegt. Ähnlich kann eine Bestimmung
dessen, ob Schritt (b) den Strahl innerhalb einer erforderlichen
Entfernung der Zielposition hinterläßt, durchgeführt werden,
wobei nach dieser Bestimmung Schritt (c) wiederholt wird, wenn der
Strahl außerhalb
der erforderlichen Entfernung liegt. Ein iterativer Prozeß ist so
möglich,
der zwischen den Schritten (b) und (c) abwechselt, bis der Strahl
die Zielrichtung und -position erreicht.
Der „Trans-Keil"-Strahlmanipulierer
erfährt
eine gekoppelte Winkel- und Umsetzungseinstellung, mit Ausnahme
des Falls, bei dem die beiden Keile ausgerichtet sind, um einander
aufzuheben. Ein Drehen des ersten Keils und/oder des zweiten Keils
kann beabsichtigterweise eine Winkeltrennung oder ein -überschreiten zwischen
dem Strahl und der Zielposition hinterlassen, so daß ein Einstellen
des Winkels zwischen dem Pfad und der Achse den Strahl näher zu der
Zielposition ablenkt. Ähnlich
kann ein Einstellen des Winkels zwischen dem Pfad und der Achse
den Strahl von der Zielposition versetzt hinterlassen, so daß ein Drehen
des ersten Keils und/oder des zweiten Keils den Strahl näher an die
Zielposition verschiebt. Drehungen und Einstellungen, die beabsichtigte Überschreitungen
liefern, sind besonders nütz lich,
wenn relativ große
Einstellungen an der Richtung und/oder Position des Strahls vorgenommen
werden.
Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert,
wobei eine Verwendung der gleichen Bezugszeichen in unterschiedlichen
Figuren ähnliche
oder identische Gegenstände
anzeigt. Es zeigen:
1A und 1B einen bekannten Strahlablenker unter
Verwendung eines Risley-Prismensatzes zur Einstellung der Richtung
eines Strahls;
2 einen bekannten Strahltranslator,
der eine Platte verwendet, die parallele Seiten aufweist, um die
Position eines Strahls einzustellen;
3A und 3B jeweilige Ansichten eines Strahlmanipulierers
ge mäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, der eine Einstellung der Richtung eines Strahls und
eine entkoppelte Einstellung der Position des Strahls erlaubt;
4 eine Querschnittsansicht
einer optischen Halterung, die ein Prisma hält, zur Verwendung in dem Strahlmanipulierer
der 3A und 3B;
5 eine Vorderansicht einer
Einspann-/Befestigungsstruktur der optischen Halterung aus 4;
6A und 6B einen Aufriß bzw. eine perspektivische
Ansicht eines Strahlmanipulierers unter Verwendung eines Risley-Prismensatzes
zur Einstellung von sowohl der Richtung als auch der Position eines Strahls;
7 ein Diagramm, das eine
Abhängigkeit
der Strahlposition von einer Winkelablenkung in dem Strahlmanipulierer
der 6A und 6B darstellt;
8 ein Flußdiagramm
eines iterativen Einstellungsprozesses für einen Trans-Keil-Manipulierer
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung; und
9 eine perspektivische Ansicht
eines Manipulierers, der einen groben Keilsatz für grobe Winkelstrahleinstellungen
und einen feinen Trans-Keil-Satz für Strahlumsetzung und Feinwinkelstrahleinstellungen umfaßt.
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung stellen Kompaktstrahlmanipulierer sowohl die
Richtung als auch die Position eines Strahls, wie z. B. eines Laserstrahls,
ein. Bei einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung liefert ein Strahlmanipulierer eine Einstellung der
Position des Strahls, die von der Einstellung der Richtung des Strahls
entkoppelt ist. Folglich kann eine erste Einstellung des Strahlmanipulierers
den Strahl aus einer anfänglichen
Richtung, die eine Strahlquelle liefert, zu einer letztendlichen
Richtung, die ein optisches System benötigt, ablenken. Eine zweite
Einstellung des Strahlmanipulierers kann dann den Strahl in die
erforderliche Position verschieben, ohne die zuvor eingestellte
Strahlrichtung zu verändern.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung stellt ein Kompaktstrahlmanipulierer sowohl die Richtung
als auch die Position des Strahls unter Verwendung eines Risley-Prismensatzes
in einer Befestigung ein, die Drehungen um drei Achsen erlaubt.
Die 3A und 3B zeigen perspektivische Ansichten eines
Strahlmanipulierers 300, der in der Lage ist, sowohl die
Position als auch die Richtung eines Strahls einzustellen, wobei
die Positionseinstellung von der Richtungseinstellung entkoppelt
ist. Der Strahlmanipulierer 300 umfaßt Keile 310 und 320,
die einen Risley-Prismensatz bilden, zur Winkeleinstellung eines
Strahls und eine planparallele Platte 330 zur Positionseinstellung
des Strahls. Ein Laser oder eine andere Strahlquelle (nicht gezeigt)
kann einen Eingangsstrahl auf den Keil 310 oder in der
entgegengesetzten Richtung auf die Platte 330 leiten. Unabhängig von
der Richtung, mit der der Strahl über die Keile 310 und 320 und
die Platte 330 läuft,
stellt der Risley-Prismensatz (d. h. die Keile 310 und 320)
die Richtung des Strahls ein und die planparallele optische Platte 330 stellt
die Position des Strahls ein.
Bei
einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist jeder Keil 310 und 320 ein Prisma aus
einem optischen Material, wie z. B. BK7-Glas, das einen kreisförmigen Querschnitt
und gegenüberliegende
Seiten aufweist, die sich in einem physischen Keilwinkel zwischen
100 μrad
und 20 mrad befinden. Der Keil 310 ist vorzugsweise identisch
zu dem Keil 320 und sollte insbesondere den gleichen Keilwinkel
wie der Keil 320 aufweisen, um eine Ausrichtung zu liefern,
die eine Winkelablenkung von Null liefert. Wie oben angemerkt wurde,
liefern größere Keilwinkel
im allgemeinen einen größeren Bereich
einer Winkeleinstellung des Strahls und kleinere Keilwinkel liefern
im allgemeinen eine bessere Auflösung
oder Präzision
beim Einstellen der Richtung des Strahls. Jeder Keil 310 oder 320 ist
vorzugsweise etwa 3 mm oder weniger dick, um die Strahlverschiebung
zu minimieren, die die Keile 310 und 320 bewirken,
wenn sie den Strahl ablenken.
Die
Prismen 310 und 320 können wie in 1 ausgerichtet sein, wobei parallele
Seiten 111 und 122 am weitesten voneinander entfernt
sind und gewinkelte Seiten 112 und 121 benachbart
zueinander sind. Alternativ können
die parallelen Seiten der Keile 310 und 320 benachbart
zueinander sein, während
die gewinkelten Seiten am weitesten voneinander entfernt sind. Eine
Funktionsweise der Keile 310 und 320 zur Ablenkung
eines Strahls ist in beiden Fällen ähnlich.
Die
Keile 310 und 320 befinden sich in jeweiligen
optischen Halterungen 312 und 322. Die optischen Halterungen 312 und 322,
die im wesentlichen identisch zueinander sind, passen in gegenüberliegende
Seiten einer Öffnung
in einer optischen Befestigung 340. Die Halterungen 312 und 322 sind
kreisförmig,
um eine Drehung einer oder beider Halterungen 312 und 322 in
der Befestigung 340 zu erlauben, wenn die Strahlrichtung eingestellt
wird.
4 ist eine Querschnittsansicht
eines Ausführungsbeispiels
der optischen Halterung 322. Wie dies dargestellt ist,
ist die optische Halterung 322 im allgemeinen ringförmig und
kann aus einem Metall oder einem weiteren elastischen Material hergestellt
sein, das vorzugsweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist, der mit dem der optischen Befestigung 340 übereinstimmt.
Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist die Halterung 322 aus rostfreiem Stahl
der Serie 400 hergestellt, der gehärtet sein kann, um eine Reibabnutzung
zwischen der optischen Halterung 322 und der optischen
Befestigung 340 während einer
Einstellung zu minimieren. Die optische Halterung 322 weist
eine innere Leiste 410 auf, an der der Keil 320 unter
Verwendung eines Haftmittels 420, wie z. B. Dow Corning
6-1104, angebracht sein kann. Mit Ausnahme der inneren Leiste 410 ist
der innere Durchmesser der Halterung 322 größer als
der Durchmesser des Keils 320, was eine unterschiedliche
Wärmeausdehnung
des Keils 320 und der optischen Halterung 322 ohne Kontakt
an den Seiten der optischen Halterung 322 erlaubt. Ein
Verwenden eines flexiblen Haftmittels 420 zur Anbringung
des Keils 320 an der inneren Leiste 410 minimiert
die Wirkungen von Veränderungen
der optischen Halterung 322 aufgrund von Temperatur oder
belastungsinduzierter Verformung, wenn die optische Halterung 322 an
ihrem Platz eingespannt ist. Eine Fehlausrichtung, bewirkt durch
Temperaturveränderungen, Feuchtigkeitsveränderungen
und belastungsinduzierte Doppelbrechung in dem Keil 320,
wird so minimiert.
Eine äußere Leiste 430 der
optischen Halterung 322 erstreckt sich über die Seiten der optischen
Befestigung 340 hinaus und kann Merkmale umfassen, wie
z. B. Stege, die eine Drehung der optischen Halterung 322 innerhalb
der optischen Befestigung 340 erleichtern.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel
der optischen Befestigung 340. Die optische Befestigung 340 umfaßt eine Öffnung 510,
in die die optischen Halterungen 312 und 322 passen.
Die Öffnung 510,
anstatt rein kreisförmig
zu sein, weist bogenförmige
oder konkave Abschnitte 520 auf, so daß nur getrennte Regionen 530 um
den Umfang der Öffnung 510 die
optischen Halterungen 312 und 322 kontaktieren.
Eine Einspannschraube 342 in der optischen Befestigung 340 ist
angezogen, um die optischen Halterungen 312 und 322 an
festen Positionen zu halten, wenn die Keile 310 und 320 ordnungsgemäß ausgerichtet
sind, um die erwünschte
Ablenkung des Strahls zu liefern. Ein Lösen der Einspannschraube 342 erlaubt
eine Drehung der optischen Halterungen 312 und 322 für den Ausrichtungsprozeß und eine
entfernbare Klemme 344 verhindert, daß die optischen Halterungen 312 und 322 aus
der optischen Befestigung 340 fallen, wenn die Einspannschraube 342 lose
ist.
Die
Platte 330, wie in den 3A und 3B gezeigt ist, befindet
sich in einer optischen Halterung 332, die eine konkave
Oberfläche
aufweist, an der die Platte 330 z. B. unter Verwendung
eines Haftmittels angebracht ist. Die Platte 330 ist bei
dem exemplarischen Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein zylindrischer Block aus einem optischen Qualitätsmaterial,
wie z. B. BK7, das eine Höhe
oder Dicke von etwa 36 mm und einen Durchmesser von etwa 20 mm aufweist.
Die Abmessungen für
die Platte 330 variieren abhängig von der Anwendung. Die
optische Halterung 332 kann aus einem elastischen Material,
wie z. B. rostfreiem Stahl 416, hergestellt sein.
Die
optische Halterung 332 weist einen kreisförmigen Abschnitt 334 auf,
der in eine Öffnung
in einer optischen Befestigung 350 paßt. Eine Schraube 336 fesselt
die optische Halterung 332 an die optische Befestigung 350,
was die optische Halterung 332 während einer Neigungseinstellung
hält. Wenn
eine Einspannschraube 352 in der optischen Befestigung 350 lose
ist, kann die optische Halterung 332 zur Einstellung der Neigung
der Platte 330 gedreht werden. Die Kontaktflächen der Öffnung in
der optischen Befestigung 350, die ähnlich wie die Kontaktflächen 530 der
Befestigung 340 sein können,
definieren die Rotationsachse für
die Neigung der Platte 330. Die Neigung der Platte 330 steuert
die Größe der Verschiebung
des Strahls in einer Z-Richtung in den 3A und 3B.
Nachdem die Neigung der Platte 330 eingestellt wurde, um
die erwünschte Verschiebung
des Strahls in der Z-Richtung zu liefern, wird die Einspannschraube 352 angezogen,
um die optische Halterung 332 und deshalb die Platte 330 an
ihrem Ort einzuspannen.
Die
optische Befestigung 350 weist ebenso einen kreisförmigen Basisabschnitt 354 auf,
der in eine Klemme 360 paßt, was eine Rotationsachse
bildet. Eine Halteschraube 356 fesselt die optische Befestigung 350 an
die Basisplatte 370. Wenn eine Einspannschraube 362 in
der Klemme 360 lose ist, kann die optische Befestigung 350 um
eine Achse gedreht werden, die parallel zu der Z-Achse ist, um den
Gierwert der Platte 330 zu steuern. Der Gierwinkel der
Platte 330 steuert die Komponente der Strahlverschiebung
in der Y-Richtung und die Einspannschraube 360 wird angezogen,
um die optische Befestigung 350 an ihrem Ort zu verriegeln,
nachdem eine Einstellung die erwünschte
Strahlverschiebung in der Y-Richtung erzielt hat. Die Klemme 360 kann
auf die gleiche Weise wie die Öffnung 510 in
der optischen Befestigung 340 für ein besseres Einspannen der
optischen Befestigung 350 bogenförmig sein und die optische
Befestigung 350 kann gehärtet sein, um eine Reibabnutzung
an der Klemme 360 und der Basisplatte 370 während einer
Einstellung zu verhindern.
Die
optische Befestigung 340, die die Keile 310 und 320 enthält, und
die optische Befestigung 350, die die parallele Platte 330 enthält, sind
an einer gemeinsamen Basis 370 befestigt. Der Strahlmanipulierer 300 liefert
so ein integriertes Modul, das sowohl Position als auch Richtung
eines Strahls einstellen kann, und das Modul ist in vielen Typen
von Laserstrahl-Bereitstellungssystemen leicht zu verwenden, einschließlich denjenigen,
die für
Silizium-Wafer-Lithographie-Metrologie-Anwendungen
verwendet werden.
Die
Keile 310 und 320 und die Platte 330 können von
Hand oder mit einem Werkzeug, wie z. B. einem Werkzeugstab 380,
ausgerichtet werden. Zur Verwendung des Werkzeugstabs 380 mit
dem Strahlmanipulierer 300 weist die optische Befestigung 350,
wie in 3A dargestellt
ist, eine Öffnung 358 auf,
durch die ein Werkzeugstab 380 Merkmale, wie z. B. Einkerbungen
oder Löcher
in der optischen Halterung 332, in Eingriff nehmen kann.
Der Werkzeugstab 380 wirkt als ein Hebel mit einem Drehpunkt
nahe an der optischen Halterung 332, so daß eine relativ
große
Bewegung des Endes des Werkzeugstabs 380 eine kleine Drehung
der optischen Halterung 332 um eine Achse bewirkt, die parallel
zu der Y-Richtung ist. Eine größere Präzision bei der
Einstellung der optischen Halterung 332 kann so erzielt
werden. Ein Werkzeugstab 380 ist etwa 100 mm lang, wobei
eine Spitze z. B., die sich etwa 2,5 mm von dem Drehpunkt entfernt
befindet, die Auflösung
der Neigungswinkeleinstellung um bis zu 40 mal verbessern kann.
3B zeigt ähnlich eine
Einkerbung 359 in der optischen Befestigung 350,
durch die der Werkzeugstab 380 Einkerbungen in der Basis 370 in
Eingriff nehmen kann. Eine relativ große Bewegung des Endes des Werkzeugstabes 380 bewirkt
dann eine relativ kleine Drehung der Befestigung 350 um
die Achse durch die Schraube 356 für eine Verbesserung der Auflösung der
Gierwinkeleinstellung.
Sobald
die Einstellung der Ausrichtungen der Elemente 310, 320 und 330 den
Strahl in die erwünschte Richtung
und Position verschiebt, werden die optischen Komponenten 310, 320 und 330 durch
ein Anziehen von Einspannschrauben 342, 352 und 362 in
ihren Ort „verriegelt". Alternativ könnten weitere
mechanische Mittel, wie z. B. Preßpassen und/oder ein Haftmittel
(z. B. ein Epoxid oder dergleichen), die optischen Komponenten in
die eingestellten Positionen in ihren jeweiligen optischen Befestigungen
verriegeln.
Die
Basisplatte 370 ist als vier Befestigungsfüße aufweisend
gezeigt. Die Basisplatte 370 könnte kinematische Merkmale
für eine
präzise
Ortswiederholbarkeit und Belastungsdämpfung enthalten. Traditionelle
kinematische Merkmale umfassen einen Kegel, V-förmig und flach oder drei nichtparallele
Vs. Diese Typen von Merkmalen können
in die Basisplatte 370 eingearbeitet werden und verhindern,
daß der
Manipulierer 300 sich relativ zu der Strahlquelle oder
dem optischen System bewegt, das den Strahl aufnimmt.
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung stellt ein dickes Paar von Keilen,
das hierin manchmal als ein „Trans-Keil" bezeichnet wird,
sowohl die Richtung als auch die Position eines Strahls ein. Ein
Manipulierer, der die dicken Keile enthält, erzielt die erwünschte Verschiebung
und Ablenkung eines Strahls durch Drehungen der Keile und eine Neigungs- und Gierwertsteuerung
der Keile. Das Ergebnis ist ein Kompaktstrahlmanipulierer, der ideal
Produktkosten reduziert, indem der Bedarf nach einer separaten Translatoroptik und
einer zugeordneten Translatorhardware beseitigt wird.
Die 6A und 6B stellen ein exemplarisches Ausführungsbeispiel
eines Trans-Keil-Manipulierers 600 dar. Der Trans-Keil-Manipulierer 600 umfaßt ein Paar
dicker Keile 610 und 620, die in jeweiligen optischen Halterungen 612 und 622 befestigt
sind, die von dem gleichen Entwurf wie die optische Halterung 322 aus 4 sein können. Bei einem exemplarischen
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist jeder Keil 610 und 620 ein Prisma
aus einem optischen Material, wie z. B. BK7, das einen kreisförmigen Querschnitt
und gegenüberliegende
Seiten aufweist, die sich in einem physischen Keilwinkel zwischen
100 μrad
und 20 mrad befinden. Jeder Keil 310 oder 320 ist
abhängig
von der erwünschten
maximalen Ablenkfähigkeit
etwa 3 mm bis etwa 18 mm dick. Die Keile 610 und 620 müssen im
allgemeinen den gleichen physischen Keilwinkel aufweisen, um eine
Konfiguration mit einer Null-Winkelablenkung zu liefern, der Keil 610 könnte jedoch
dicker oder dünner als
der Keil 620 sein. Üblicherweise
sind die Keile 610 und 620 im wesentlichen identisch.
Der
Luftzwischenraum zwischen den Keilen 610 und 620 ist
vorzugsweise so klein wie möglich.
Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel
beträgt
der Luftzwischenraum etwa 2 mm.
Die
optischen Halterungen 612 und 622 passen in gegenüberliegende
Enden einer Öffnung
durch eine Klemme 630 und können einzeln oder gemeinsam
als eine Einheit gedreht werden, wenn die Einspannschraube 632 lose
ist. Da die Keile 610 und 620 dick sind, kann
eine Drehung der optischen Halterungen 612 und 622 in
der Klemme 630 sowohl die Ablenkung als auch die Verschiebung
eines durchlaufenden Strahls wesentlich verändern.
Eine
Schraube 642 bringt die Klemme 630 an einer Befestigung 640 an,
wenn dieselbe jedoch lose ist, erlaubt sie eine Drehung der Klemme 630 zur
Steuerung der Neigung der Klemme 630 und der Keile 610 und 620.
Für eine
präzise
Steuerung der Neigung der Keile 610 und 620 umfaßt die Befestigung 640 eine
Einkerbung 648, durch die ein Werkzeug 380 die
Klemme 630 in Eingriff nehmen und drehen kann. Eine Schraube 646 bringt
die Befestigung 640 an einer Basis 650 an und
eine Drehbefestigung 640 um die Schraube 646 (wenn die
Schraube 646 lose ist) steuert den Gierwinkel der Keile 610 und 620.
Für eine
präzise
Steuerung des Gierwerts der Keile 610 und 620 umfaßt die Befestigung 640 eine
Einkerbung 644, durch die ein Werkzeug 380 die
Befestigung 640 in Eingriff nehmen und um eine Achse, die
parallel zu der Z-Achse
ist, drehen kann.
Ein
Verändern
der Neigung und des Gierwerts der Keile 610 und 620 verändert hauptsächlich die
Z- und die Y-Komponente der Strahlverschiebung, kann jedoch auch
die Richtung des Strahls verändern. Ähnlich verändern die
sich drehenden Keile 610 und/oder 620 hauptsächlich die
Richtung des Strahls, jedoch auch die Position des Strahls. Die
Neigungs- und die Gierwerteinstellung und Drehungen der Keile 610 und 620 in
der Klemme 630 koppeln so sowohl Winkel- als auch Positionseinstellung
des Strahls miteinander.
Die
Gleichung 1 gibt eine annäherungsweise
Formel für
die Winkelablenkung δ durch
einen Trans-Keil, wie z. B. den Trans-Keil 600, wobei α der Keilwinkel
ist, n der Brechungsindex der Keile und Φ der Einfallswinkel des Strahls
auf der ersten optischen Oberfläche
des Keilsatzes. Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung
beträgt
der Keilwinkel α etwa
15 mrad und der Brechungsindex n beträgt etwa 1,515. Der Einfallswinkel Φ hängt von
dem Neigungs- und dem Gierwinkel des Trans-Keil-Manipulierers ab. Wenn
der Einfallswinkel Φ 0
ist, weist der Ausdruck in eckigen Klammern in Gleichung 1 einen
Wert 1 auf. Dies ist der Fall für
einen feststehenden Keilsatz, der mit dem einfallenden Strahl ausgerichtet
und nicht frei ist, um sich relativ zu dem einfallenden Strahl zu
neigen oder zu gieren. Für
den Trans-Keil ist, wenn der Einfallswinkel im allgemeinen ungleich
0 ist, der Ausdruck von Gleichung 1 in eckigen Klammern größer oder
gleich 1.
7 ist ein Diagramm 700 des
Verhältnisses δ/δ0 der Winkelablenkung δ für den Einfallswinkel Φ zu der
Strahlablenkung δ0 bei einem Null-Einfallswinkel. Das Diagramm 700 zeigt,
daß eine
Drehung des Keilsatzes eine zusätzliche
Strahlablenkung hervorruft und größere Drehungen größere Ablenkungen
bewirken. Die Ausnahme hierfür
besteht dann, wenn der Keilsatz so eingestellt ist, daß die Winkelablenkung
eines Keils die Winkelablenkung des anderen Keils aufhebt und deshalb
die Strahlablenkung δ0 bei einem Null-Einfallswinkel Null ist. In diesem Fall
verhält
sich der Keilsatz wie eine planparallele Platte und die Abhängigkeit
von dem physischen Keilwinkel α wird
aufgehoben.
Wenn
der Keilsatz nicht so eingestellt ist, daß die Winkelablenkung δ0 Null
ist, erfordert eventuell die Kopplung des Einfallswinkels Φ mit sowohl
der Verschiebung des Strahls als auch der Winkelablenkung des Strahls
einen iterativen Einstellprozeß,
um die erwünschte
Genauigkeit bei Strahlposition und -richtung zu erzielen.
8 ist ein Flußdiagramm,
das einen iterativen Prozeß 800 darstellt,
der die Ausrichtungen der Keile und die Neigung und den Gierwert
des Keilsatzes einstellt, um eine erwünschte Strahlposition und -richtung zu
erzielen. Der Prozeß 800 beginnt
bei einem Schritt 810 durch ein Einrichten einer Zielrichtung
und einer Zielposition für
den gerade eingestellten Strahl. Ein Beispiel, bei dem der Prozeß 800 verwendet
werden kann, ist für
eine Kombination aus zwei Laserstrahlen, so daß die beiden Strahlen konzentrisch
sind und sich in die gleiche Richtung bewegen. In derartigen Situationen
kann einer der Strahlen ausgewählt
sein, um das Datum zu sein, das das Ziel definiert, und der Prozeß 800 verwendet
einen Trans-Keil-Strahlmanipulierer 600, um den anderen Strahl einzustellen,
um mit der Richtung und Position des Zielstrahls an dem Ausgang
eines Strahlkombinierers übereinzustimmen.
Ohne Einstellung könnten
die beiden Strahlen anfängliche
Richtungen und Positionen aufweisen, die bis zu bestimmten anfänglichen
Toleranzen ordnungsgemäß ausgerichtet
sind, die von der Quelle oder Quellen der Strahlen abhängen. Ein
Faserkollimator z. B., der einen kollimierten Laserstrahl erzeugt,
liefert unter Umständen
einen Strahl mit einer Winkelfehlausrichtung von weniger als 5 mrad und
einer Umsetzungsfehlausrichtung von weniger als etwa 0,5 mm bezüglich seiner
Befestigungsoberflächen.
Die erwünschten
Ausrichtungstoleranzen für
die kombinierten Strahlen sind kleiner, als die Strahlquelle erzielen
kann, z. B. ein Winkelversatz von weniger als 2 μrad und ein Umsetzungsversatz
von weniger als 10 μm.
Sobald
die Zielstrahlrichtung und -strahlposition ausgewählt sind,
dreht Schritt 820 die Keile 610 und 620 einzeln
und/oder gemeinsam als eine Einheit, um die Zielstrahlrichtung innerhalb
der erwünschten
Winkeltoleranz zu erzielen. Wie oben angemerkt wurde, verändert eine
Drehung eines Keils relativ zu dem anderen den Winkel des Strahls
relativ zu einer Achse durch die Keile 610 und 620 und
eine Drehung der Keile 610 und 620 gemeinsam als
eine Einheit treibt den Strahl entlang eines Kegels, der eine Winkelöffnung aufweist, die
durch die relativen Positionen der Keile 610 und 620 eingestellt
wird.
Schritt 830 prüft, ob der
Strahl nach der Winkeleinstellung von Schritt 820 innerhalb
der erforderlichen Toleranz der Zielposition ist. Falls dies der
Fall ist, hat der Einstellungsprozeß 800 den Strahl auf
die Zielposition und -richtung innerhalb der erwünschten Toleranzen eingestellt
und der Prozeß 800 ist
abgeschlossen. Falls dies nicht der Fall ist, bewegt sich der Prozeß 800 zu
Schritt 840 und stellt die Neigung und/oder den Gierwert
des Keilsatzes zur Neupositionierung des Strahls ein.
Der
Positionseinstellschritt 840 stellt die Position des Strahls
so ein, daß der
Strahl innerhalb der erforderlichen Toleranz der Zielposition ist.
Wie jedoch oben erläutert
und in 7 dargestellt
ist, verändert
die Einstellung der Position im allgemeinen auch die Richtung des
Strahls. Schritt 850 prüft
deshalb nach dem Positionseinstellschritt 840, um zu bestimmen,
ob die Strahlrichtung innerhalb der erforderlichen Toleranz der Zielrichtung
ist. Falls dies der Fall ist, ist der Prozeß 800 fertig. Falls
dies nicht der Fall ist, kehrt der Prozeß 800 von Schritt 850 zu
Schritt 820 zurück,
um die Richtung des Strahls neu einzustellen.
Der
Prozeß 800 kann
im allgemeinen auf die Zielstrahlrichtung und -position in einigen
wenigen Iterationen konvergieren, wenn die Größe der erforderlichen Einstellung
nicht zu groß ist.
Wenn der Einfallswinkel Φ unter
etwa 15° gehalten
wird, zeigt 7, daß die Winkelablenkung,
die durch Neigungs- und Gierwerteinstellung bewirkt wird, weniger
als etwa 5 % der Winkelablenkung beträgt, die durch eine Keildrehung
bewirkt wird, und eine schnelle Konvergenz auf das Ziel ist zu erwarten.
Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der
Erfindung konvergiert der Prozeß 800 für Strahlablenkungen
von bis zu etwa 7 mrad und Strahlverschiebungen bis zu etwa 0,8
mm schnell auf das Ziel.
Große Winkel-
oder Positionseinstellungen machen es unter Umständen erforderlich, daß die erste Einstellung
(z. B. Winkeleinstellung durch Drehungen der Keile 610 und 620)
das Datum überschreitet
oder unterschreitet, so daß die
zweite Einstellung (z. B. Einstellung von Neigung und Gierwert)
sowohl die Position als auch die Richtung des Strahls korrigieren
kann. Ähnlich
kann die erste Umsetzung des Strahls durch Neigungs- und Gierwerteinstellung
die Zielposition überschreiten
oder unterschreiten, so daß die
nächste
Winkeleinstellung durch eine Keildrehung Position und Richtung in
Richtung der Ziele bringt.
Der
Trans-Keil 600, wie oben angemerkt wurde, kann eine hervorragende
Umsetzungs- und Winkeleinstellungsauflösung liefern, wenn er bei einem
Einfallswinkel nahe Null arbeitet, und der Trans-Keil 600 kann der
einzige Strahlmanipulierer sein, wenn ein System eine derartige
Operation erlaubt. Der Trans-Keil kann so den Raum reduzieren, der
benötigt
wird, um einen Laserstrahl in Winkel und Position zu manipulieren,
wobei so Produktmasse und Gesamtgröße eines optischen Systems,
das eine präzise
Strahlsteuerung benötigt,
reduziert werden können.
Der Trans-Keil-Manipulierer liefert außerdem ein relativ billiges
Verfahren zum Erzielen einer erwünschten
Strahlführung.
Zwei
oder mehr Manipulierer können
großwinklige
Korrekturen in Systemen implementieren, in denen der Einstellprozeß unter
Verwendung eines einzelnen Trans-Keil-Manipulierers unpassend wäre. 9 zeigt ein Beispiel eines
Manipulierers 900, der einen ersten Manipulierer 910 und
einen zweiten Trans-Keil-Manipulierer 920 umfaßt. Der
erste Manipulierer 910, der eine Befestigungsstruktur umfassen
kann, die identisch zu der Befestigung 340 der 3A und 3B ist, weist einen groben Keilsatz auf
(z. B. mit einem physischen Keilwinkel von etwa 17 mrad). Der zweite
Trans-Keil-Manipulierer 920,
der im wesentlichen identisch zu dem Trans-Keil-Manipulierer 600 der 6A und 6B sein kann, weist einen feinen Keilsatz
auf (z. B. mit einem physischen Keilwinkel von etwa 250 μrad). Der
Manipulierer 910, der den groben Keilsatz enthält, bringt
nominell einen Eingangsstrahl auf eine Datum-Achsenrichtung, was
es erlaubt, daß der
Trans-Keil-Manipulierer 920, der den feinen Keilsatz enthält, bei
einem Einfangswinkel nahe Null arbeitet und sich ähnlich wie
ein planparalleler Plattentranslator verhält, mit dem Vorteil, daß über eine
feine Winkeleinstellung für
eine erhöhte
Winkelauflösung
verfügt
wird.
Obwohl
die Erfindung Bezug nehmend auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, ist die Beschreibung nur ein Beispiel für die Anwendung der Erfindung
und sollte nicht als Einschränkung
aufgefaßt
werden. Obwohl die obige Beschreibung z. B. Beispiele bestimmter
Abmessungen und Einstellungstoleranzen umfaßt, sind Manipulierer gemäß der Erfindung
nicht auf die bestimmten Einstellbereiche oder -auflösungen in
den beschriebenen Beispielen eingeschränkt. Zusätzlich können die oben beschriebenen
exemplarischen Strahlmanipulierer neu dimensioniert sein, um einen
Strahl jeder Größe zu manipulieren,
einschließlich,
jedoch nicht ausschließlich,
denjenigen, die in Interferometer-Verschiebungs-Meßausrüstung verwendet werden.
Verschiedene andere Anpassungen und Kombinationen von Merkmalen
der offenbarten Ausführungsbeispiele
sind innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, wie durch die folgenden
Ansprüche
definiert ist.
