DE102008036574A1

DE102008036574A1 - Vorrichtung zum Lagern eines optischen Elements

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Publication number: DE102008036574A1
Application number: DE102008036574A
Authority: DE
Inventors: Holger Dr. Kierey; Christian Höss; Johann HÜLL; Ralf Moser; J. Ackva; Michel Dr. le Maire; Willi Anderl
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-02-04

Abstract

Eine Vorrichtung dient zum Lagern eines optischen Elements, insbesondere eines Spiegels (32). Das optische Element ist über eine Mehrzahl von anisotrop elastischen Gliedern an einer Haltestruktur (50) gehalten. Das optische Element sowie ein von dem optischen Element ausgeleuchteter Bereich ist langgestreckt-rechteckförmig mit einem Seitenverhältnis von mehr als 4:1.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Lagern eines optischen Elements, bei der das optische Element über eine Mehrzahl von anisotrop elastischen Gliedern an einer Haltestruktur gehalten ist.
Eine Vorrichtung der vorstehend genannten Art ist aus der DE 101 15 914 A1 bekannt.
Die eingangs genannte DE 101 15 914 A1 beschreibt eine Lagerung eines kreisförmigen Spiegels eines Projektionsobjektivs für die Halbleiterlithographie. Der Spiegel wird bei dieser Lagerung von drei Poden gehalten, also einarmigen Elementen, die einerseits an dem Spiegel und andererseits an einer Tragstruktur angreifen. Die drei Poden sind an drei um jeweils 120° versetzten Positionen am Umfang des Spiegels angeordnet. Sie weisen jeweils Festkörpergelenke auf, die als Biegefedern ausgebildet sind. An jedem Poden sind dabei zwei um 90° zueinander angeordnete Festkörpergelenke vorgesehen.
Aus der WO 2005/091077 A2 ist ein Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage bekannt, bei dem ein kreisförmiger Spiegel ebenfalls mittels drei Poden an einer Tragstruktur gehalten ist. Die Poden sind zusätzlich mit Aktuatoren versehen, um den Spiegel im Raum zu justieren.
In einem anderen Anwendungsgebiet, nämlich für das Aufschmelzen von Schichten auf ein Substrat, beispielsweise zum Aufschmelzen von Silizium-Schichten bei der Herstellung von elektronischen Displays, verwendet man einen Laserstrahl, der als sehr schmaler Linienstrahl auf die aufzuschmelzende Schicht fällt. Die Schicht und der Laserstrahl werden relativ zueinander quer zu der vom Laserstrahl gebildeten Linie verschoben, so dass der Laserstrahl flächig über das Substrat, das so genannte „Panel”, geführt wird. Ein Panel hat typischerweise eine Größe von 940 × 730 mm. Der Laserstrahl ist typischerweise fast so breit wie das Panel, also etwa 730 mm. Meist wird der Laserstrahl gepulst. Durch das Aufschmelzen der Silizium-Schicht wird die zuvor ungeordnete Kristallschicht geordnet und damit die Elektronenmobilität, d. h. die elektrische Leitfähigkeit, erhöht.
In einer von der Anmelderin entwickelten Anlage zum Aufschmelzen derartiger Schichten wird ein Laserstrahl zunächst in eine Form gebracht, in der er einen Querschnitt von etwa Briefmarkengröße hat. Dieser Laserstrahl wird dann durch mehrfaches Umlenken und Umformen an entsprechenden Spiegeln so geformt, dass er schließlich die gewünschte sehr schmale Linienform aufweist.
Hierzu benötigt man langgestreckt-rechteckförmige Spiegel, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung von besonderem Interesse sind. Unter „langgestreckt-rechteckförmig” ist dabei ein Seitenverhältnis von mindestens 4:1 zu verstehen.
Spiegel der vorstehend genannten Art mit den hier interessierenden Abmessungen von bis zu 1 m Breite sind in konventioneller Bauweise sehr schwer und haben ein Gewicht von beispielsweise von 1 bis 50 kg. Es ist daher im Stand der Technik bekannt, zum Lagern derart schwerer Spiegel sehr steife und gleichfalls schwere Strukturen mit großen Abmessungen zu verwenden. Dadurch werden Transport, Gebrauch, Wartung und Reparaturen erschwert.
Hinzu kommt, dass für die im Rahmen der vorliegenden Erfindung in Frage kommenden Anwendungen schwerer Spiegel oder anderer optischer Elemente eine sehr hohe Präzision gefordert wird. Dies setzt voraus, dass die Vorrichtung auch thermisch stabil ist. Damit sich thermisch bedingte Verformungen nicht auswirken, ist es erforderlich, teure Werkstoffe mit entsprechend geringem thermischem Ausdehnungskoeffizienten zu verwenden, beispielsweise Invar, das sehr teuer ist.
In diesem Zusammenhang wirkt sich auch störend aus, wenn Komponenten der Vorrichtung eine niedrige Eigenfrequenz haben, weil dann die Übertragung von Schallwellen und Vibrationen besonders störend ist.
Ferner ist es bei den genannten Anwendungen erforderlich, eine Justage der Spiegel in mehreren Freiheitsgraden vorzunehmen, insbesondere als Lateralbewegung in drei kartesischen Achsrichtungen und als Kippbewegung um diese Achsrichtungen, insgesamt also in bis zu sechs Freiheitsgraden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass die vorstehend genannten Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt werden, die durch elastische Lagerung die Übertragung von störenden Schallwellen und Vibrationen und andererseits von Verformungen auf ein ausreichendes Maß unterdrückt. Die Vorrichtung soll ferner leicht sein und aus preiswerten Materialien bestehen können. Darüber hinaus soll die Vorrichtung den Transport, die Installati on, die Wartung und evtl. Reparaturen erleichtern. Ferner soll eine Justagemöglichkeit in bis zu sechs Freiheitsgraden bestehen.
Bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das optische Element sowie ein von dem optischen Element ausgeleuchteter Bereich langgestreckt-rechteckförmig mit einem Seitenverhältnis von mehr als 4:1 ist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Die Lagerung des optischen Elements an einer Haltestruktur mittels anisotropelastischer Glieder hat nämlich den Vorteil, dass sich die Oberflächenform des optischen Elements, beispielsweise des Spiegels, nicht ändert, wenn die genannten Störeinflüsse (Schall, Vibrationen, Verformungen) auf die Halterung des optischen Elements einwirken. Zwar sind derartige Lagerungen für kreisförmige Spiegel bekannt, wie eingangs erläutert, die Übertragung auf langgestreckt-rechteckförmige optische Elemente mit einem Seitenverhältnis von mindestens 4:1 ist jedoch keineswegs trivial. Es bedurfte daher eingehender Überlegungen, um zu erkennen, dass für den hier interessierenden Anwendungsfall die Torsion des optischen Elements eine weniger bedeutsame Störgröße ist. Erst daraus ergab sich die Überlegung, dass das eingangs erwähnte bekannte Lagerungsprinzip für kreisförmige Spiegel anwendbar ist. Zudem ist es möglich, durch Gewichtsreduktion am Substrat des optischen Elements genügend Biege- und Torsionssteifigkeit zu bewahren.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Glieder derart ausgestaltet und angeordnet, dass das optische Element in allen drei Achsrichtungen eines kartesischen Koordinatensystems gesperrt ist.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass das optische Element deformations-entkoppelt ist.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn eine Mehrzahl von Gliedern vorgesehen ist, die als Poden ausgebildet und jeweils um zwei zueinander senkrecht stehende Achsen biegbar sind, wobei mindestens eine der Achsen nicht parallel zu einer der Achsrichtungen verläuft.
Dabei verläuft mindestens eine der Achsen quer zu einer der Achsrichtungen.
Diese Maßnahmen haben den Vorteil, dass die Bewegung in der jeweiligen Achse effektiv gesperrt wird.
Bei einer ersten Weiterbildung des vorgenannten Ausführungsbeispiels ist mindestens ein Pod als Monopod ausgebildet, der das optische Element einarmig mit der Haltestruktur verbindet. Vorzugsweise sind mindestens drei, weiter vorzugsweise sechs Monopoden vorgesehen.
Um eine möglichst vollständige Deformations-Entkopplung zu erzielen, werden vorzugsweise sechs Monopode vorgesehen, die auch kombiniert werden können, beispielsweise drei Bipode oder zwei Bipode plus zwei Monopode oder ein Bipod plus vier Monopode.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind, jeweils symmetrisch zu einer Längsmittelachse des optischen Elements, vier Monopoden auf den Ecken eines gedachten Vierecks, vorzugsweise eines Rechtecks, angeordnet.
Eine gute Wirkung wird dabei ferner dadurch erzielt, dass die mindestens drei Monopoden sich im Wesentlichen quer zur Längsmittelachse des optischen Elements erstrecken.
Alternativ oder zusätzlich kann in einer zweiten Weiterbildung mindestens ein Pod als Bipod ausgebildet sein, der das optische Element zweiarmig an der Haltestruktur lagert.
Dabei ist vorzugsweise mindestens ein Bipod zum Halten des optischen Elements vorgesehen.
Der mindestens eine Bipod erstreckt sich weiter vorzugsweise quer zu einer Längsachse des optischen Elements.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung weisen die Poden einen die Achsen enthaltenden Abschnitt auf, der zu einer Achsrichtung um einen Winkel von 10° bis 80°, vorzugsweise etwa 45° geneigt ist.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Achsen durch Festkörpergelenke gebildet werden.
Bei einer besonders bevorzugten Gruppe von Ausführungsbeispielen der Erfindung ist das optische Element mittels der Poden an einer Unterplatte gehalten, und die Unterplatte ist an einer Oberplatte befestigt, wobei vorzugsweise zwischen Unterplatte und Oberplatte Mittel zum Justieren der Unterplatte relativ zur Oberplatte entlang mindestens zum Verfahren entlang einer Achsrichtung und/der zum Verkippen um eine Achsrichtung vorgesehen sind.
Bevorzugt sind dabei die Mittel zum Justieren an einem Befestigungsflansch (der Poden, vorzugsweise mittig an dem Poden angeordnet.
Diese Mittel sind bevorzugt Justierschrauben. Die Mittel bzw. Justierschrauben sind an der Anschraubfläche, bevorzugt innerhalb der Befestigungselemente der Poden an der Unterplatte, angeordnet. Dadurch braucht die Unterplatte nicht steif ausgestaltet zu werden, weil sie sich nicht im Kraftfluss der Gewichtskraft des optischen Elements zur Oberplatte befindet. Die Lage der Justierschrauben wird vorzugsweise an denjenigen Poden gewählt, die steif gegen die Bewegungsrichtung der Justierschrauben sind.
Die Oberplatte ist dabei vorzugsweise in einer Führungsschiene, insbesondere in einer L-Schiene, einer Tragstruktur der Vorrichtung gehalten.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass eine gute Steifigkeit des Systems im Zusammenspiel Oberplatte/Tragstruktur erzielt wird. Die Oberplatte selbst braucht nicht besonders steif ausgestaltet zu werden.
Diese Maßnahmen haben zusammengefasst den Vorteil, dass eine Leicht- und Kompaktbauweise möglich ist, bei der die Oberplatte und die Unterplatte als relativ dünne Bauelemente ausgebildet sein können, die jeweils nur begrenzt steif sein müssen. Beide Platten können durch Taschen und Ausbrüche zusätzlich in ihrem Gewicht vermindert werden.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ferner bevorzugt, wenn die Oberplatte über Federelemente mit der Unterplatte verbunden ist.
Insbesondere können dabei die Federelemente Blattfederbereiche aufweisen, die im Wesentlichen in der Ebene der Platten liegen, wobei die Federelemente beispielsweise jeweils zwei Blattfederbereiche aufweisen, die über einen gewellten Bereich miteinander verbunden sind, um hohe Zugspannungen in den Federn zu vermeiden.
Diese Maßnahmen haben den Vorteil, dass eine Nachgiebigkeit zwischen Oberplatte und Unterplatte in einer Achsrichtung, insbesondere in Richtung der Hochachse des optischen Elements, vorhanden ist, während die anderen Achsrichtungen im Wesentlichen gesperrt sind.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung weist das optische Element einen Körper in Form eines Profilstabes, insbesondere eines T-, Doppel-T-, I- oder E. Profils auf.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass Gewicht eingespart und dennoch eine hohe Biege- und Torsionssteifigkeit erhalten wird.
Bei diesem Ausführungsbeispiel weist das optische Element eine mit einer optischen Beschichtung, insbesondere Spiegelschicht, versehene Platte, eine von der von der Beschichtung abgewandten Seite der Platte abstehende Rippe sowie seitlich von der Rippe abstehende Flansche auf.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass Elemente der Profilform zugleich für eine stabile Befestigung ausgenutzt werden.
Bevorzugt greifen dabei die mindestens drei Monopoden an den Flanschen an.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Das optische Element, insbesondere der Spiegel, weist ein Gewicht von vorzugsweise 1 bis 50 kg auf.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematisierte Seitenansicht einer Vorrichtung zum Aufschmelzen von Schichten;
2 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Haltestruktur, in der ein rechteckförmiger Spiegel befestigt ist, wie er in einer Vorrichtung gemäß 1 verwendet werden kann;
3 eine Stirnansicht der Haltestruktur gemäß 2;
4 eine perspektivische Ansicht eines Spiegels, wie er in der Haltestruktur der 2 und 3 gehalten wird;
5 einen Monopoden, wie er bei der Haltestruktur gemäß den 2 und 3 in der Mitte verwendet wird;
6 einen Monopoden, wie er bei der Haltestruktur gemäß den 2 und 3 verwendet wird; und
7 eine Seitenansicht der Haltestruktur gemäß 2 und 3.
In 1 bezeichnet 10 als Ganzes eine Vorrichtung zum Aufschmelzen von Schichten, insbesondere zum Aufschmelzen einer Silizium-Schicht 12 auf ein Substrat 14, ein so genanntes Panel. Derartige Panels von beispielsweise 940 × 730 mm Größe werden insbesondere für die Herstellung von Halbleiter-Displays benötigt, wie man sie in elektronischen Geräten unterschiedlicher Art benötigt. Die genannten Abmessungen sind nur als Beispiel zu verstehen. Daneben gibt es auch Panels, die eine Breite von 1.500 mm statt 730 mm aufweisen.
Zum Aufschmelzen der Schicht 12 wird ein Laserstrahl 16 verwendet, der in Form einer Linie von beispielsweise 730 mm Länge und einer Breite von weniger als 1 mm auf die Schicht 12 auftrifft. Auch hier gilt, dass für Panels anderer Größe andere Strahlabmessungen möglich sind, beispielsweise von 1.500 mm Breite. Das Substrat 14 liegt dabei auf einem beweglichen Träger 18, der bei der in 1 dargestellten Seitenansicht in einer Richtung 19 in der Zeichenebene der 1 von rechts nach links bzw. umgekehrt quer zur Länge des Laserstrahls 16 verfahrbar ist. Der Laserstrahl wird dabei vorzugsweise gepulst, und zwar mit einer Frequenz typischerweise größer als 1 kHz. Bei jedem Puls wird demnach eine streifenförmige Fläche aufgeschmolzen.
Ein Laser 20 erzeugt den Laserstrahl 16, der hier in einer Richtung nach oben verläuft. Der Laserstrahl 16 wird von einem Spiegel 24 umgelenkt und durchläuft eine nur schematisch angedeutete erste optische Einheit 26, in der der Laserstrahl 16 in seinem Querschnitt noch nicht wesentlich verändert wird. Der Laserstrahl 16 hat am Austritt der ersten optischen Einheit 26 einen Querschnitt von im Wesentlichen quadratischer Form, beispielsweise von der Größe einer Briefmarke mit einer Breite von typischerweise 10 bis 50 mm. Der Laserstrahl 16 durchläuft in der ersten optischen Einheit 26 vorzugsweise mehrere optische Untereinheiten, bevor er auf eine zweite optische Einheit 30 trifft.
Die erste optische Einheit 26 ist direkt an die zweite optische Einheit 30 gekoppelt. Die zweite optische Einheit 30 enthält optische Elemente, im dargestellten Beispiel zwei Spiegel 32a und 32b, es kann jedoch auch eine andere Anzahl von Spiegeln vorgesehen sein.
Wenn insoweit von optischen Elementen oder von Spiegeln die Rede ist, dann sind darunter nicht nur die optisch wirksamen Bestandteile zu verstehen, sondern ggf. auch eine primäre Fassung, Rahmen oder dgl. Unter „optische Elemente” sind außer Spiegeln auch Linsen, Strahlteiler, Fenster, Gitter, Filter und dgl. zu verstehen.
Die Spiegel 32a, 32b sind teilweise als reine Umlenkspiegel eben oder als strahlformende Spiegel gewölbt ausgebildet. Sie haben eine im Wesentlichen langgestrecktrechteckförmige Spiegelfläche und ein Seitenverhältnis von mehr als 4:1 und typischerweise ein Gewicht zwischen 1 und 50 kg. Auch die von dem Laserstrahl 16 ausgeleuchtete Fläche hat vorzugsweise ein Seitenverhältnis von mehr als 4:1.
Durch die Reflektion an den Spiegeln 32a, 32b wird der Laserstrahl 16 von seinem nahezu quadratischen Querschnitt in den erwähnten linienförmigen Querschnitt umgeformt.
Die Spiegel 32a, 32b sind jeweils an einer inneren Tragstruktur der zweiten optischen Einheit 30 befestigt, und zwar vorzugsweise lösbar bzw. justierbar. Die Spiegel 32a, 32b sind zumindest teilweise auf einer Haltestruktur angeordnet, von der die 2 bis 7 weitere Einzelheiten zeigen.
Der Spiegel 32 weist eine entsprechend langgestreckt-rechteckförmige Spiegelplatte 40 mit einer Spiegeloberfläche 42 auf, deren Längsmittelachse mit 43 bezeichnet ist. Die Spiegeloberfläche 42 ist im Falle eines reinen Umlenkspiegels plan ausgebildet. Wenn die Spiegeloberfläche 42 zur Strahlformung dient, insbesondere zur Umformung des im Querschnitt nahezu quadratischen Laserstrahls in einen schmalen Linienstrahl oder zur Fokussierung, ist sie entsprechend gewölbt ausgebildet.
Die Spiegelplatte 40 befindet sich am freien Ende einer sich längs erstreckenden Rippe 44. Eine von der Spiegelplatte 40 abgewandte Oberfläche 46 der Rippe 44 verläuft vorzugsweise im Wesentlichen parallel zu der Spiegeloberfläche 42. Im Bereich der Oberfläche 46 ist die Rippe 44 mit seitlich abstehenden Flanschen 48, im dargestellten Beispiel jeweils einem Flansch 48 auf jeder Längsseite, versehen. Die Flansche 48 stellen eine Verbreiterung der Oberfläche 46 dar und dienen, wie noch erläutert werden wird, zur Befestigung des Spiegels 32.
Die vorstehend erläuterte Formgebung des Spiegels 32 ermöglicht eine Leichtbauweise, weil der Spiegelkörper infolge der Rippenkonstruktion in sich steif ist. Das sich daraus ergebende niedrige Gewicht führt auch zu einer Erhöhung von dessen Eigenfrequenz. Dabei ist die im Ausführungsbeispiel dargestellte T-Form natürlich nur beispielhaft zu verstehen. Sie könnte auch durch eine Doppel-T-Form, eine I-Form, eine E-Form oder dergleichen ersetzt werden.
Wie bereits erwähnt, wird der Spiegel 32 gesamthaft in einer Haltestruktur gehalten, die in den 2 und 3 mit 50 bezeichnet ist. Für die nachfolgende Erläuterung ist in die 2, 3 und 7 ein kartesisches Koordinatensystem x, y, z eingetragen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind insgesamt sechs Freiheitsgrade der Bewegung von Interesse, nämlich Linearbewegungen in Richtung der Achsen x, y und z sowie Kippbewegungen um diese Achsen x, y und z. Ziel der Erfindung ist es dabei, den Spiegel 32 relativ zur Tragstruktur so zu lagern, dass die Oberfläche des Spiegels sich möglichst nicht ändert; auch wenn infolge von Verformungen, insbesondere thermisch bedingten Verformungen und Verformungen der Haltestruktur 50 während der Montage des Gesamtsystems, Störeinflüsse auftreten.
Ferner soll zu Justierzwecken eine gezielte Verstellung in den genannten Freiheitsgraden möglich sein.
Die Haltestruktur 50 hat von außen betrachtet die Gestalt eines rechteckförmigen Rahmens in der x-y-Ebene. Dieser Rahmen liegt, wie stark vereinfacht in 3 angedeutet, in einer L-förmigen und daher besonders steifen Führungsschiene 51 der Tragstruktur der Vorrichtung 10 und ist dort lösbar befestigt. Dadurch kann der Spiegel 32 in einfacher Weise in der Tragstruktur montiert, demontiert, justiert und gewartet werden.
Die Haltestruktur 50 weist eine Oberplatte 52 auf, die vorzugsweise als Rahmen ausgebildet ist. An der Oberplatte 52 ist eine Unterplatte 54, ebenfalls vorzugsweise ein Rahmen, befestigt. Hierzu sind in y-Richtung insgesamt zwei Federelemente 56, jeweils eines an beiden Längsenden, vorgesehen, die mit Blattfederbereichen 57 an der Oberplatte 52 und mit Blattfederbereichen 58 an der Unterplatte 54 befestigt sind, und zwar mittels einer Reihe von in x-Richtung verlaufenden Schrauben. Zwischen den Blattfederbereichen befindet sich ein gewellter Bereich 59. Auf die Darstellung der Federn ist in 3 verzichtet. Es ist auch möglich, mehr als eine Feder an jedem Längsende einzusetzen.
Dadurch ist die Unterplatte 54 gegenüber der Oberplatte 52 und damit gegenüber der Tragstruktur in x-Richtung gesperrt und in z-Richtung sowie – wesentlich geringer – in y-Richtung beweglich. Anstelle von Blattfedern könnten auch Schraubenfedern verwendet werden, Blattfedern sind jedoch wegen ihrer flachen Bauweise und ihrer höheren Sperrwirkung in bestimmten Koordinatenrichtungen bevorzugt.
Die Oberplatte 52 sowie die Unterplatte 54 bestehen vorzugsweise aus einem Material, dessen Ausdehnungskoeffizient an den Spiegel 32 angepasst bzw. extrem klein ist. Infolge der gewählten Anordnung kann insbesondere die Oberplatte 52 in Leichtbauweise ausgeführt werden.
An den vertikalen Schmalseiten der Oberplatte 52 sind noch an zwei Ecken erste Justierschrauben 60 vorgesehen. Mit diesen ersten Justierschrauben 60 kann die Oberplatte 52 relativ zur Führungsschiene 51, d. h. zur Tragstruktur, in x- und Rz-Richtung verstellt werden. Weitere, ebenfalls an den Ecken der Oberplatte 52, jedoch auf deren Unterseite angeordnete zweite Justierschrauben 76a–d gestatten bei gleichmäßiger Verstellung eine Justierung in z-Richtung und bei ungleichmäßiger Verstellung ein Verkippen um die x- und die y-Achse. Ferner können auch an den Längsseiten der Oberplatte 52 noch Justierschrauben vorgesehen sein, um eine Verstellung der Oberplatte 52 in y-Richtung zu realisieren.
Der Spiegel 32 ist an der Unterplatte 54 befestigt. Hierzu dienen vier Monopoden 62a–d, jeweils zwei auf jeder Längsseite und zwei weitere Monopoden 64, wobei jeweils zwei zur Spiegel-Längsachse 43 symmetrische Monopode auch als Bipod ausgestaltet werden könnten. Die Monopoden 62 befinden sich auf den Ecken eines gedachten Vierecks, insbesondere Rechtecks, das seinerseits bevorzugt symmetrisch zur Längsmittelachse 43 angeordnet ist. Die Monopoden 62 halten den Spiegel 32 einarmig. Der jeweilige Arm liegt in der x-z-Ebene und ist relativ zur x-Achsrichtung geneigt.
Wie aus 5 ersichtlich, weist jeder Monopod 62 einen ersten Befestigungsflansch 70 auf sowie einen zweiten Befestigungsflansch 72. Der erste Befestigungsflansch 70 ist mit einer Oberseite 74 versehen. Mittels Befestigungsschrauben 75 ist der erste Befestigungsflansch 70 mit der Oberseite 74 an die Unterseite der Unterplatte 54 geschraubt.
Mit 76 ist eine zweite Justierschraube bezeichnet, von denen jeweils eine an jeder Ecke der Haltestruktur 50 vorgesehen ist. Die zweite Justierschraube 76 ist zwar im ersten Befestigungsflansch 70 gelagert, sie dient jedoch zum Verstellen der Oberplatte 52 gegenüber der Unterplatte 54. Damit kann die Unterplatte 54 bei gleicher Verstellung aller vier zweiten Justierschrauben 76 relativ zur Oberplatte 52 in z-Richtung verschoben und bei ungleicher Verstellung um die x-Achse sowie um die y-Achse verkippt werden.
Der zweite Befestigungsflansch 72 wird im vorliegenden Beispiel seitlich am Spiegel befestigt, Es ist auch denkbar, den Pod an jeder beliebigen Fläche außer einer optischen Fläche wie der Spiegelfläche zu befestigen.
Es kommen dabei die Befestigungsarten „Schrauben” und „Kleben” bevorzugt in Frage, die jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung generell nur beispielhaft zu verstehen sind. Grundsätzlich sind auch andere, beispielsweise kraft-, form- oder stoffschlüssige Verbindungen wie Klemmen, Nieten, Schrauben, Schweißen oder Löten einsetzbar.
Jeder Monopod 62 weist zwischen den Befestigungsflanschen 70 und 72 eine Serie von Festkörpergelenken auf, die als Biegefedern ausgebildet sind und sich unter einem Winkel α zur x-Achse erstrecken. Der Winkel α liegt zwischen 10° und 80° und beträgt vorzugsweise 45°. Vom ersten Befestigungsflansch 70 führt ein erstes Festkörpergelenk 86 zu einem ersten Zwischenelement 87, wodurch eine erste Drehachse 88 entsteht. Die erste Drehachse 88 liegt in der z-x-Ebene und ist vorzugsweise um 45° – α zur x-Achse geneigt. Vom ersten Zwischenelement 87 führt ein zweites Festkörper gelenk 89 zu einem Mittelelement 90. Das zweite Festkörpergelenk 89 ist vorzugsweise baugleich mit dem ersten Festkörpergelenk 86 und lediglich mit seiner zweiten Achse 91 relativ zur ersten Achse 88 um 90° im Raum gedreht. Entsprechend führt vom Mittelelement 90 ein drittes Festkörpergelenk 92 zu einem zweiten Zwischenelement 93 und bildet eine dritte Achse 94. Ferner führt ein viertes Festkörperelement 95 zu einer Abkröpfung 96 des zweiten Befestigungsflansches 72 und bildet eine vierte Achse 97. Dabei verlaufen die Achsen 88 und 94 sowie die Achsen 89 und 97 jeweils zueinander parallel.
Infolge der mit dem Winkel α geneigten Anordnung der Festkörpergelenke 86, 89, 92 und 95 ist eine Bewegung des Spiegels 32 relativ zur Unterplatte 54 in x- und y-Richtung gesperrt.
Wie aus 6 ersichtlich, weisen die Monopode 64 einen Flansch 100 auf. Dieser Flansch 100 kann so gestaltet sein, dass der Spiegel 32 an einer Seite, die keine optisch wirksame Oberfläche ist, befestigt werden kann. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies eine Seitenfläche. Die Arme der Monopode 64 liegen in der x-y-Ebene, sind jedoch zur x-Achsrichtung geneigt.
Die Monopode 64 weisen ferner jeweils einen Endflansch 106 auf. Dieser ist mit dem Flansch 100 über Festkörpergelenkanordnungen 108 verbunden, die zur Mittelachse des Flanschs 100 um einen Winkel β geneigt sind, wobei β zwischen 10° und 80°, vorzugsweise 45° beträgt. Die Festkörpergelenkanordnungen 108 sind wie die entsprechenden Anordnungen 86–97 aus 5 mit Paaren von zueinander senkecht stehenden Achsen ausgebildet. Die Endflansche 106 sind mittels Befestigungsschrauben 110 an die Unterseite der Unterplatte 54 geschraubt.
Infolgedessen sperren die Monopode 64 den Spiegel 32 relativ zur Unterplatte in y-Richtung.
Insgesamt ist daher der Spiegel 32 istostatisch gelagert. Die Festkörpergelenke 86, 89, 92, 95 und 108 stellen infolge ihres dünnen Querschnitts zugleich eine thermische Entkopplung dar. Gleichzeitig ist aber über die geneigte Anordnung der Festkörpergelenke 86, 89, 92, 95 und 108 ein Auswandern des Spiegels 32 in x-, y- und z-Richtung gesperrt.
Ferner ist eine Justierung in allen sechs Freiheitsgraden zwischen Oberplatte und Unterplatte möglich. Der in der vorstehenden Beschreibung verwendete Begriff „Justierschrauben” umfasst dabei alle geeigneten, vorzugsweise reibungsarmen Justierelemente, also einfache Schrauben, Mikrometerschrauben, Differentialschrauben, Stößel, Stifte oder dergleichen, in handbetätigter oder kraftbetätigter Bauweise. Als Kraftbetätigung kommen dabei pneumatische, elektrische, piezoelektrische, magnetische und ähnliche Antriebe in Betracht.

10: Vorrichtung
12: Silizium-Schicht
14: Substrat (Panel)
18: beweglicher Träger
19: Richtung
20: Laser
24: Umlenkspiegel
26: erste optische Einheit
30: zweite optische Einheit
32a, b: Spiegel
40: Spiegelplatte
42: Spiegeloberfläche
43: Längsmittelachse
44: Rippe
46: Oberfläche
48: Flansche
50: Haltestruktur
51: Führungsschiene
52: Oberplatte, -rahmen
53: Durchbruch
54: Unterplatte, -rahmen
56a, b: Federelemente
57: Blattfederbereich
58: Blattfederbereich
59: gewellter Bereich
60a, b: erste Justierschraube
62a–d: xz-Monopod
64a, b: y-Monopod
65: Befestigungsschraube
70: erster Befestigungsflansch + Stellelement
72: zweiter Befestigungsflansch
74: Oberseite
75: Befestigungsschraube
76a–d: zweite Justierschraube
86: erstes Festkörpergelenk
87: erstes Zwischenelement
88: erste Achse
89: zweites Festkörpergelenk
90: Mittelelement
91: zweite Achse
92: drittes Festkörpergelenk
93: zweites Zwischenelement
94: dritte Achse
95: viertes Festkörpergelenk
96: Abkröpfung
97: vierte Achse
100: Flansch
106: Endflansch
108a, b: Festkörpergelenkanordnung
110: Befestigungsschraube

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10115914 A1 [0002, 0003]
- WO 2005/091077 A2 [0004]

Claims

Vorrichtung zum Lagern eines optischen Elements, bei der das optische Element über eine Mehrzahl von anisotrop elastischen Gliedern an einer Haltestruktur (50) gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element sowie ein von dem optischen Element ausgeleuchteter Bereich langgestreckt-rechteckförmig mit einem Seitenverhältnis von mehr als 4:1 ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein Spiegel (32) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element derart ausgestaltet und angeordnet ist, dass es in allen drei Achsrichtungen (x, y, z) eines kartesischen Koordinatensystems gesperrt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Gliedern vorgesehen ist, die als Poden (62, 64) ausgebildet und jeweils um zwei zueinander senkrecht stehende Achsen (88/91, 94/97) biegbar sind, wobei mindestens eine der Achsen (88, 91, 94, 97) nicht parallel zu einer der Achsrichtungen (x, y, z) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Achsen (88, 91, 94, 97) quer zu einer der Achsrichtungen (x, y, z) verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Pod (62, 64) als Monopod (62, 64) ausgebildet ist, der das optische Element einarmig mit der Haltestruktur (50) verbindet.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens drei, vorzugsweise sechs Monopoden (62, 64) zum Halten des optischen Elements vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass, jeweils symmetrisch zu einer Längsmittelachse (43) des optischen Elements vier Monopoden (62) auf den Ecken eines gedachten Vierecks, vorzugsweise Rechtecks, angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Monopoden (62) sich im Wesentlichen quer zur Längsmittelachse (43) des optischen Elements erstrecken.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Pod (62, 64) als Bipod (64) ausgebildet ist, der das optische Element zweiarmig an der Haltestruktur (50) lagert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bipod zum Halten des optischen Elements vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Poden (64) sich quer zu einer Hochachse des optischen Elements erstrecken.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Poden (62, 64) einen die Achsen (88, 91, 94, 97) enthaltenden Abschnitt aufweisen, der zu einer Achsrichtung (x) um einen Winkel (α, β) zwischen 10° und 80°, vorzugsweise etwa 45° geneigt ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen (88, 91, 94, 97) durch Festkörpergelenke (86, 89, 92, 95) gebildet werden.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element mittels der Poden (62, 64) an einer Unterplatte (54) gehalten ist und dass die Unterplatte (54) an einer Oberplatte (52) befestigt ist, wobei vorzugsweise zwischen Unterplatte (54) und Oberplatte (52) Mittel zum Justieren der Unterplatte (54) relativ zur Oberplatte (52) entlang mindestens einer Achsrichtung (x, y, z) und/oder zum Verkippen um eine Achsrichtung (x, y, z) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Justieren an einem Befestigungsflansch (70) der Poden (62), vorzugsweise mittig an dem Poden (62) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberplatte (52) in einer Führungsschiene (51), vorzugsweise einer L-Schiene, einer Tragstruktur der Vorrichtung gehalten ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel als Justierschrauben (60, 61, 76) ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberplatte (52) über Federelemente (56) mit der Unterplatte (54) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (56) Blattfederbereiche (58) aufweisen, die im Wesentlichen in der Ebene der Platten (52, 54) liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (56) jeweils zwei Blattfederbereiche (58) aufweisen, die über einen gewellten Bereich (59) miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element einen Körper (40, 44, 48) in Form eines Profilstabes, insbesondere eines T-, Doppel-T-, I- oder E-Profils aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element eine mit einer optischen Beschichtung, insbesondere Spiegelschicht (42) versehene Platte (40), eine von der von der Beschichtung abgewandten Seite der Platte (40) abstehende Rippe (44) sowie seitlich von der Rippe (42) abstehende Flansche (48) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 und 23, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Monopoden (62) an den Flanschen (48) angreifen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein Gewicht zwischen 1 und 50 kg aufweist.