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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Lagerung eines optischen Bauelements,
insbesondere einer Linse oder eines Spiegels mit einem äußeren Umfangsbereich,
in einem Trägerkörper mit
einem Umfangsbereich, an dem eine Mehrzahl von Auflageelementen
zur Aufnahme des äußeren Umfangsbereichs
des Bauelements vorgesehen ist, von denen einige als erste Auflageelemente
mit einer niedrigen Elastizität
und einige als zweite Auflageelemente mit einer im Vergleich zu
den ersten Auflageelementen höheren
Elastizität
ausgebildet sind.
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Aus
der
US 6 239 924 B1 ist
eine kinematische Anordnung zur Halterung einer Linse mit einer
am Umfang verteilten Auflage bekannt. Bei dieser Anordnung ist eine
Kombination aus festen Auflageelementen, die lediglich in axialer
Richtung, d.h. in Strahlrichtung des Lichts, eine geringe Steifigkeit
aufweisen, und elastischen Auflagepunkten vorgesehen, die vorzugsweise
rotationssymmetrisch über
einen die Linse an ihrem äußeren Umfang
umgebenden Trägerkörper verteilt
sind. Dadurch soll die Gravitationslast der Linse gleichmäßig auf
die Unterlage verteilt werden, ohne dass die Linse zu hohen Spannungen
ausgesetzt wird. Jedes der elastischen Auflageelemente ist vorbelastet,
so dass die Kraft, die auf die Linse ausgeübt wird, über alle festen und elastischen
Auflageelemente gleich verteilt wird.
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Auch
aus der
US 6 400 516
B1 ist eine Anordnung für
die im wesentliche waagrechte Lagerung einer Linse bekannt, bei
der einerseits feste Auflageflächen
für die
Linse an der Innenseite des Trägerkörpers angeordnet
sind und andererseits elastische, einseitig in dem Trägerkörper gelagerte
Plättchen
einen Teil des Gewichts der Linse aufnehmen, um eine Spannungsüberlastung
der Linse infolge der Gravitation zu verhindern.
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Bei
einer Linsenfassung nach dem Stand der Technik (1) ergibt sich bei einer Anordnung von
Federbeinen 1 bis 5 mit aus Fertigungsgründen unterschiedlicher
Auflagenhöhe
auf einem Trägerkörper 6 eine Abweichung ΔS zu einem
mittleren Auflagenniveau 7. In 1 ist ein Abschnitt der Auflageelemente
am inneren Umfang des Trägerkörpers 6 dargestellt.
Dabei haben alle Federbeine 1 bis 5 eine Streuung ΔCa ihrer Steifigkeit oder Federkonstanten
Ca. Da über
die gesamte Länge
des inneren Umfangs des Trägerkörpers 6 mehr als
drei Auflagen, insgesamt beispielsweise fünfzehn, vorhanden sind, ist
die Linsenauflage überbestimmt,
und aus den Faktoren ΔS
und Ca ergeben sich jeweils je Federbein unterschiedliche Kraftkomponenten,
die jeweils eine Abweichung ΔF
von der Auflagekraft Fg/n erzeugen, die
die Linse deformiert. Auf jedes der Federbeine 1 bis 5 wirkt
eine Kraft Fg der Linse, dividiert durch
die Gesamtzahl n der Auflageelemente; an jeder Auflage entsteht
durch die Abweichungen ΔS
eine Abweichung in der Auflagekraft von ± ΔF.
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Dabei
bedeuten:
Fg die Gewichtskraft der
Linse,
n die Anzahl der Auflageelemente,
Ca die
Steifigkeit der Auflageelemente
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Unter
folgenden Annahmen lässt
sich hierbei beispielsweise die Linsenfassung betrachten, die im
Fall einer für
die Lithographie eingesetzten Linse einen Durchmesser von bis 300
mm und eine Masse zwischen 1 und 10 kg hat:
| Linsenmasse: | 10
kg, |
| Eigenfrequenz
der Linsenfassung f0: | 500
Hz, |
| Anzahl
der Auflagepunkte: | 15, |
| Fertigungstoleranz: | ± 5 μm |
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Aus
der Masse und der Eigenfrequenz ergeben sich
die Steifigkeit
der Auflagepunkte: Ca = m/n·(2·π·f0)2 = 3,3 N/μm,
und
die Abweichung der Auflagekraft: ΔF
= Ca·ΔS = 3,3 N.
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Andererseits
beträgt
bei einer Zahl von 15 Auflagepunkten oder Auflageflächen an
dem Trägerkörper 6 für eine in
diesem gelagerte Linse je Auflagepunkt die Gewichtskraft Fg/n = 3,3 N.
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Dies
bedeutet, dass bei einer statisch überbestimmten Abstützung des
Eigengewichts Fg einer Linse die aus den
Fertigungstoleranzen entstehende Schwankung der Kraft ΔF dieselbe
oder nahezu dieselbe Größenordnung
wie die anteilige Gewichtskraft Fg der Linse
hat.
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Die
bekannten Kombinationen aus starrer Dreipunktlagerung und zusätzlicher
elastischer Lagerung (
US
6239 924 B1 und
US
6 400 516 B1 ) haben folgende Nachteile: Die dynamischen
Belastungen (Schocklasten) werden nur über die Dreipunktlagerung abgestützt. Klebeverbindungen
können
dabei überbeansprucht werden.
Linsen können
aus der Anbindung an den Trägerkörper ausbrechen.
Die weicheren Auflagen können bei
der Montage aus ihrer vorgesehenen Position, der Idealposition,
gedrückt
werden. Eine falsche Positionierung führt ebenfalls zu einer Kraftschwankung
an der Auflagestelle.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, die bekannte Lagerung eines optischen
Bauelements, insbesondere einer Linse, zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
mindestens einige der zweiten Auflageelemente durch mindestens ein,
insbesondere biegeweiches, Verbindungselement mit einander verbunden
sind.
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Bei
der Auslegung einer Linsenfassung, d. h. des inneren Umfangsbereichs
eines Trägerkörpers, müssen unterschiedliche
Kriterien berücksichtigt
werden. Federnde Elemente, beispielsweise Federbeine, müssen einerseits
eine ausreichende Steifigkeit aufweisen, um eine möglichst
hohe Eigenfrequenz und Formstabilität bei einer Linsenmontage zu
erzielen; andererseits sollte die Linsenauflage und somit auch die
Federbeinsteifigkeit sehr weich ausgelegt sein, damit Fertigungstoleranzen,
Reibeinflüsse
in der Linsenmontage und unterschiedlich ausgeprägte Kleberspannungen nicht
zu einer Linsendeformation führen.
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Da
es bei dem im Stand der Technik bestehenden Problem des hohen, aus
Fertigungstoleranzen bestehenden Kraftanteils allenfalls durch unverhältnismäßigen Aufwand
bei der Eingrenzung der Toleranzen möglich ist, diesen Kraftanteil
zu reduzieren, beschreitet die Erfindung den Weg, eine Dreipunktlagerung
mit einer sehr weich ausgelegten, schwimmend gelagerten Federbeinauflage
zu verbinden. Im Gegensatz zu den Lösungen nach dem Stand der Technik
werden die elastischen Auflageelemente über eine Biegefeder in Umfangsrichtung
und in radialer Richtung an ihrer Position gehalten. Die eigentliche
Abstützung
des Linsengewichts kann somit über
eine sehr weich ausgelegte Feder erfolgen, die nahezu unempfindlich
hinsichtlich Fertigungstoleranzen ist.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Eine
besonders einfache Ausgestaltung des Verbindungselements besteht
darin, dass dieses ein Plättchen
oder eine nachgiebige Platte ist. Insbesondere erstreckt sich das
Plättchen über ein
ringförmiges Segment
des Trägerkörpers oder über dessen
gesamten Umfang. Unter „ringförmig" oder „ringsegmentförmig" im Sinne dieser
Erfindung ist auch eine n-eckige Form des Verbindungselements, insbesondere
des Plättchens
zu verstehen.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bewegung
der zweiten Auflageelemente mindestens durch erste, ringsegmentförmige Begrenzungselemente
in der durch die Auflage des optischen Bauelements vorgegebenen
Bewegungsrichtung oder entgegen dieser begrenzt ist. Durch die Begrenzungselemente
werden die schwimmend gelagerten Auflagepunkte nicht vollständig freigegeben.
Dadurch werden niederfrequente Schockbelastungen nicht nur über die
ersten, mehr starren Auflageelemente, sondern auch über die
zweiten, mehr elastischen Auflageelemente abgestützt. Die Belastung wird durch
die Aufteilung auf nahezu alle Auflagepunkte deutlich verringert.
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Die
Elastizität
des Aufbaus wird zusätzlich
unterstützt,
wenn die zweiten Auflageelemente jeweils über erste elastische Elemente
mit dem Trägerkörper verbunden
sind.
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Von
Vorteil ist es, wenn die Bewegung der zweiten Auflageelemente durch
die ersten und durch zweite, ebenfalls ring- bzw. ringsegmentförmige Begrenzungselemente
in beiden Bewegungsrichtungen begrenzt ist, wobei die zweiten Begrenzungselemente
den ersten Begrenzungselementen in Bezug auf die zweiten Auflageelemente
oder das die zweiten Auflageelemente mit einander verbindende Verbindungselement
gegenüberliegen.
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Die
beiden Begrenzungselemente sind elastisch an den Grund- oder Trägerkörper angebunden
und werden über
elastische Elemente, beispielsweise durch Druckfedern, auf einen
definierten Abstand zu dem beispielsweise ringförmig umlaufenden Verbindungselement
gebracht, das insbesondere biegeweich ist. Bei der Montage des optischen
Bauelements wird der Abstand zwischen dem Verbindungselement einerseits
und den Begrenzungselementen andererseits durch Mittel zur Begrenzung
des Abstands, beispielsweise Schrauben, bis auf einen Abstand Null
verringert und dadurch das Verbindungselement und die Begrenzungselemente
gemeinsam geklemmt. Die weichen Auflageelemente, d. h. die zweiten
Auflageelemente, werden somit während
der Montage des optischen Bauelements versteift. Dadurch können die
Auflagepunkte während
der Montage nicht aus ihrer Ideallage gedrückt werden. Kraftschwankungen
aufgrund von falscher Positionierung der sehr weichen Auflagepunkte
können
somit klein gehalten werden. Gibt man das Verbindungselement, d.h. die
Biegefeder, durch Entfernen der Mittel zur Begrenzung des Abstands,
also beispielsweise der Schrauben, nach der Montage wieder frei,
so erhält
die weiche Auflage des optischen Bauelements wieder ihre volle Elastizität.
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Zur
Dämpfung
von Schwingungen dient auch eine Ausgestaltung der Erfindung, bei
der die elastischen Auflageelemente mit den weniger elastischen
oder starren Auflageelementen über
elastische Anschlussstücke
verbunden sind. Ebenso lassen sich auch die Begrenzungselemente
mit den starren Auflageelementen verbinden.
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In
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Trägerkörper und die
ersten und/oder die zweiten Auflageelemente und/oder das mindestens
eine Verbindungselement und/oder die ersten und/oder die zweiten
Begrenzungselemente und/oder ersten und/oder die zweiten elastischen
Elemente und/oder die Anschlussstücke monolithisch ausgeführt sind.
Dies bedeutet, dass alle oder einige der das optische Bauelement
tragenden Elemente durch mechanisches Abtragen aus einem Rohling
des Trägerkörpers entstehen.
Allein durch die geometrische Anordnung der Elemente zu einander
und durch ihre Form werden ihre Elastizität und ihre Funktion bestimmt.
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Von
Vorteil ist es, wenn alle Elemente rotationssymmetrisch zu einander
angeordnet sind; dies gilt insbesondere für die zweiten Auflageelemente.
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Nachstehend
wird die Erfindung in Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnungen näher
erläutert. Es
zeigen:
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2 eine
schematische Draufsicht auf eine ausgebrochen dargestellte Linse,
die auf einem Trägerkörper gelagert
ist,
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3 eine
Anordnung von starren und elastischen Auflageelementen an dm Trägerkörper entlang
einer Schnittlinie III-III aus 2, in der
die elastischen Auflageelemente mit einander verbunden sind,
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4 eine
Anordnung, in der zusätzlich
Begrenzungselemente eingebracht sind, um die Schwingungen der elastischen
Auflageelemente zu begrenzen,
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5 eine
weitere Anordnung, in der die Begrenzungselemente durch Schrauben
unter Einhaltung eines Abstandes mit einander verbunden sind, und
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6 die
Anordnung gemäß 5,
wobei die Abstände
während
der Montage der Linse auf dem Trägerkörper zu
Null reduziert sind.
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Auf
einem ringförmigen
Trägerkörper 8 (2, 3)
sind zur Aufnahme einer Linse 9 gleichmäßig über dessen inneren Umfang verteilt
drei starre Auflageelemente 10, 11 und 12 vorhanden.
Die Auflageelemente 10, 11, 12 haben
jeweils eine geringe Elastizität,
die sich durch eine große
Federkonstante Cd ausdrückt. Zur Vermeidung einer durch
diese Dreipunktauflage entstehenden dreiwelligen Deformation des
optischen Bauelements, insbesondere der Linse, deren Gewichtskraft
in den Figuren durch Pfeile angedeutet ist, sind zusätzlich zu
den Auflageelementen 10, 11, 12 zwischen
diesen Auflageelemente 13, 14, 15; 131, 141 in gleichen
Abständen
zu einander angeordnet, die jeweils eine eigene Federkonstante Ca haben. Zur Erzielung der gewünschten
Elastizität
sind die Auflageelemente 13, 14, 15 jeweils
auf vorzugsweise sehr weich ausgelegten Federn 16, 17, 18 mit
einer niedrigen Federkonstante Cg gelagert
und biegeweich an den Grundkörper der
Fassung der Linse angebunden. Entsprechend dem Verhältnis zwischen
den Federkonstanten Cd und Cg wird
der Kraftanteil ΔF
gegenüber
dem Gewichtsanteil F/n sehr klein, wobei n die Gesamtzahl der Auflageelemente
ist. Über
eine ringsegmentförmige
Feder oder ein Plättchen 19 sind
die Auflageelemente 13 bis 15 unter einander und
mit den festen Auflageelementen 11, 12 verbunden.
Durch das Plättchen 19 werden
die elastischen Auflagen in Umfangsrichtung und in radialer Richtung
an ihrer Position gehalten.
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Mit
dieser Ausführungsform
der Erfindung werden statische Gewichtskräfte gleichmäßig abgestützt, und es entfallen die starken
statistischen Schwankungen in den Kraftanteilen ΔF je Auflageelement beim Stand
der Technik.
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Um
auch dynamische Lasten, wie sie bei einer Schockbelastung auftreten,
die nur über
die Dreipunktauflage mit den Auflageelementen 11, 12 aufgenommen
werden und die zu einer Überbeanspruchung der
Klebestellen oder sogar zu einem Ausbrechen der Linse führen, gut
abfangen zu können,
wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung (4)
eine schwimmende Lagerung geschaffen. Bei dieser ist zusätzlich zu
dem Plättchen 19 ein
weiteres ebenfalls ringsegmentförmiges
Plättchen 20 als
Begrenzungselement oder als Anschlag vorhanden, das Schwingungen
der Auflageelemente 13 bis 15 nach oben elastisch
begrenzt.
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Eine
Schwingungsbegrenzung nach unten wird durch einen weiteren, ebenfalls
ringsegmentförmigen und
als Begrenzungselement dienenden Anschlag 21 erreicht;
die maximal zulässige
Schwingungsamplitude nach oben beträgt ΔH, die gesamte zulässige Schwingungsamplitude
somit 2 ΔH;
die Größe ΔH ist so
gewählt, dass
sie größer ist
als die Amplitude ΔS
einer sich durch die Verbindung zwischen den Auflageelementen 13 bis 15 einstellenden
Biegelinie des Plättchens 19.
Wird die Größe ΔH nur unwesentlich
größer als ΔS gewählt, so
kommen die schwimmend gelagerten Auflagepunkte 13 bis 15 bei
dynamischer Anregung zur Anlage. Dadurch werden vor allem niederfrequente
Schwingungen unterdrückt
und die dynamischen Kräfte
neben den starren Auflageelementen 11, 12 auch über die
weichen Elemente 13 bis 15 abgestützt.
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Die
Bregenzungslemente oder Anschläge 20, 21 sind
jeweils mit Ausnehmungen versehen, damit durch diese die Auflageelemente 12 bis 14 bzw.
die Federn 16 bis 18 hindurchtreten. Zusätzlich sind
die Begrenzungselemente 20, 21 über elastische
Anschlussstücke 22, 23, 24, 25 mit
den starren Auflageelementen 11 bzw. 12 verbunden.
Ebenso sind zur Schwingungsdämpfung
Federn 26, 27 zwischen den Plättchen 20, 21 vorhanden,
die eine größere Federkonstante
als die Federn 16 bis 18 haben, jedoch weniger
starr als die Auflageelemente 11, 12 sind. In
dem als Biegefeder fungierenden Verbindungselement 19 sind
Ausnehmungen vorhanden, durch die Federn 26, 27 hindurchtreten.
Die Federn 26, 27 halten die Anschläge 20, 21 gegenüber den
elastischen Anschlussstücken 22 bis 25 in
einer definierten Öffnungsstellung.
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Während der
Montage (6) werden die Federn 26, 27 sowie
weitere in 5, 6 dargestellte Federn 28, 29 zusammengedrückt und
die Begrenzungselemente 20, 21 durch mit dem Verbindungselement 19 starr über Schrauben 30, 31, 32, 33 mit
einander verbunden. Die elastischen Auflagen 13 bis 15 haben
in der starren Verbindung zwar ihre Abweichung bezüglich der
Fertigungstoleranzen; sie werden jedoch bei der Montage nicht aus
ihrer Idealposition verschoben. Durch das Lösen der Schrauben 30 bis 33 nach
der Montage, wie in 5 dargestellt, erhalten die
Auflageelemente 13 bis 15 wieder ihre volle Elastizität, wodurch
die Fertigungstoleranzen wieder egalisiert werden.
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Durch
die Erfindung lässt
sich eine gravitationsbedingte Dreiwelligkeit bei Lagerung eines
optischen Bauelements in waagrechter Lage auf ausschließlich drei
starren Auflageelementen beseitigen. Schockbelastungen können nicht
nur an diesen drei festen Punkten, sondern auch an den schwimmend
gelagerten Auflagepunkten abgestützt
werden, indem diese nicht komplett freigegeben werden. Durch Klemmen
der schwimmend gelagerten Auflagepunkte während des Einklebens ergibt
sich keine zusätzliche
Deformation der Auflagepunkte.