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Die
Erfindung betrifft ein optisches Element mit einer Dämpfungseinrichtung.
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Die
US 6,580,570 B2 beschreibt
eine Vorrichtung zur Lagerung eines optischen Elements mit einer
das optische Bauteil haltende Innenfassung und mit einer Außenfassung,
wobei die Innenfassung über drei um den Umfang verteilt
angeordnete Festkörpergelenke mit der Außenfassung
verbunden ist.
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Eine
Baugruppe aus einem optischen Element und einer Fassung, bei der
das optische Element über eine Mehrzahl von Laschen mit
einem steifen Zwischenring gekoppelt ist, der über Stellglieder oder
passive Entkoppler mit einer Fassung zum Anschluss an ein Gehäuse
und/oder an weitere Fassungen verbunden ist, ist aus der
US 6,229,657 B1 bekannt.
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Des
weiteren beschreibt die
US
6,191,898 B1 eine optische Abbildungsvorrichtung, insbesondere
ein Objektiv, mit wenigstens einem optischen Element, das in einem
Innenring gelagert ist, der mit einer Außenfassung verbunden
ist. Zur Verschiebung des optischen Elements ist eine Manipulatoreinrichtung
vorgesehen, die senkrecht zur optischen Achse liegt.
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In
Lithographieobjektiven, für welche die beschriebenen Vorrichtungen
besonders häufig eingesetzt werden, führen Schwingungen
der optischen Elemente zu Bewegungen des Bildpunktes und damit zu
einer Verschlechterung der Abbildungsqualität. Insbesondere
wenn, wie dies beim oben genannten Stand der Technik zumindest teilweise
der Fall ist, die optischen Elemente manipuliert werden können, treten
zwischen dem starren Außenring und dem manipulierten Innenring
große Schwingungsamplituden auf. Aufgrund ihrer Position
im Strahlengang ist die Bildbewegung besonders gegenüber
diesen Schwingungen sehr empfindlich.
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Ein
System zur Dämpfung von Schwingungen, die auf ein optisches
Element in einer Abbildungsvorrichtung wirken, ist in der
US 6,700,715 B1 beschrieben.
Dabei werden auftretende Schwingungen durch in das optische Element
integrierte Sensoren detektiert und in Form eines adaptronischen
Regelkreises werden durch Aktivierung von piezoelektrischen Elementen
als Aktuatoren den durch die Schwingungen oder Deformationen eingebrachten Eigenfrequenzen
entgegengesetzt wirkende Frequenzen eingeleitet. Nachteilig ist
hierbei der relativ hohe Aufwand des Systems.
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Die
US 6,750,949 B2 beschreibt
ein optisches System mit mehreren optischen Elementen und mit einer
Einrichtung zum Erfassen der Lage des optischen Elements, die an
einer Messstruktur angebracht ist, welche über eine Feder
und einen Dämpfer auf einer Grundplatte gelagert ist.
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Hinsichtlich
des Dämpfens von Schwingungen bei Gehäusen von
Objektiven wird des weiteren auf die
US 6,327,024 B1 und die
US 2005/0035684 A1 verwiesen.
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Ein
prinzipielles Problem, das bei sämtlichen der bekannten
Vorrichtungen zur Schwingungsdämpfung auftritt, ist der
verhältnismäßig große Bauraum,
den dieselben beanspruchen.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Element
zu schaffen, bei welchem die im Betrieb auftretenden Schwingungen
mit einfachen und insbesondere im vorhandenen Bauraum realisierbaren
Mitteln erreicht werden kann.
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Erfindungsgemäß wird
diese Aufgabe gelöst durch ein optisches Element mit einer
Dämpfungseinrichtung, welche wenigstens ein die Bewegungen des
optischen Elements in wenigstens einem Freiheitsgrad erfassendes
Sensorelement und wenigstens ein mit dem Sensorelement in Wirkverbindung stehendes,
auf das optische Element zumindest mittelbar wirkendes Aktorelement
aufweist, das anhand der von dem Sensorelement erfassten Bewegungen oder
Verformungen des optischen Elements das optische Element durch Erzeugen
einer Kraft oder eines Moments in wenigstens einem Frei heitsgrad
dämpft.
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Ein
besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung
besteht darin, dass die Dämpfungseinrichtung vollkommen
berührungslos arbeitet und daher keine Reibungskräfte
oder statischen Kräfte erzeugt. Des weiteren kann die Dämpfungseinrichtung einen
sehr einfachen Aufbau aufweisen und dadurch problemlos für
die verschiedensten optischen Elemente und insbesondere auch für
unterschiedliche Einbauorte verwendet werden.
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Bei
sämtlichen erfindungsgemäßen Anordnungen
kann ein Dämpfungsbezugspunkt, also der Punkt bzw. ein
physikalisches Bauteil oder ein imaginärer Raumpunkt, der
nicht feststehen muss, bezüglich dessen die Bewegungen
des optischen Elements minimiert bzw. gedämpft werden sollen,
ein Punkt auf dem Objektiv oder das gesamte Objektiv oder ein Punkt
auf der oder die gesamte Objektivaufnahme oder ein nicht beweglicher
Raumpunkt sein. Falls nicht die Bewegung sondern die Verformung
des optischen Elementes gedämpft werden soll, kann sich der
Dämpfungsbezugspunkt auch auf dem optischen Element befinden.
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Ein
Messsystem weist ganz allgemein wenigstens ein Sensorelement auf,
das die Bewegungen des optischen Elements in mindestens einem Freiheitsgrad
bezüglich des Dämpfungsbezugspunktes misst. Dazu
hat wenigstens ein Sensorelement seinen Messpunkt an dem optischen
Element selbst oder auf einem Körper bzw. einem Punkt,
von dessen Bewegung man auf die Bewegung des optischen Elements
schließen kann, und wenigstens ein Sensorelement hat seinen
Bezugspunkt auf dem Dämpfungsbezugspunkt oder auf einem
Punkt bzw. Körper von dessen Bewegung man auf die Bewegung
des Dämpfungsbezugspunkts schließen kann. Hierbei sind
die Messrichtungen auch umkehrbar.
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Allgemein
weist ein Aktorelement mindestens einen Aktor auf, der in mindestens
einem Freiheitsgrad eine Kraft oder ein Moment erzeugen kann. Der
wenigstens eine Aktor hat mindestens zwei Anbindungspunkte, denen
er gemäß dem Gesetz von Actio und Reactio entgegen
gesetzte Kräfte und/oder Momente aufprägt. Ein
Aktorsystem weist mindestens ein Aktorelement auf, das die Bewegungen des optischen
Elements in mindestens einem Freiheitsgrad durch Aufbringen einer
Kraft oder eines Momentes bezüglich des Dämpfungsbezugspunktes
dämpft. Dazu ist mindestens ein Aktorelement mit mindestens
einem Ende an das zu dämpfende optische Element oder an
einen Punkt bzw. Körper angebunden, dessen durch die Aktorkraft
aufgeprägte Bewegungen die Bewegung des optischen Elementes
manipuliert. Mindestens ein weiteres Ende des Aktorelements stützt
sich an einem weiteren Körper oder Punkt oder ebenfalls
an dem optischen Element, wobei es im letztgenannten Fall möglich
ist, Verformungen des optischen Elements zu dämpfen.
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Besonders
vorteilhaft ist, wenn der Betrag der von dem Aktorelement erzeugten
Kraft oder der Betrag des von dem Aktorelement erzeugten Moments
zu dem Betrag der Geschwindigkeit der Bewegung des optischen Elements
im wesentlichen proportional und entgegengerichtet ist.
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Im
wesentlichen handelt es sich um eine Kraft bzw. um ein Moment, die
zu der Geschwindigkeit des Sensorelements und somit zu der Geschwindigkeit
der Schwingung proportional ist, so dass die Dämpfung der
Schwingung des optischen Elements mit einer im wesentlichen linearen
Kennlinie stattfindet.
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In
einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass das Sensorelement einen elektrischen Leiter und ein gegenüber dem
elektrischem Leiter bewegliches, zum Erzeugen eines Magnetfelds
geeignetes Bauteil aufweist. Auch das Aktorelement kann in einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung einen elektrischen Leiter
und ein gegenüber dem elektrischem Leiter bewegliches, zum
Erzeugen eines Magnetfelds geeignetes Bauteil aufweisen.
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Bei
dieser Ausgestaltung des Sensorelements und/oder des Aktorelements
der erfindungsgemäßen Dämpfungseinrichtung
mit dem elektrischen Leiter und dem gegenüber demselben
beweglichen, zum Erzeugen eines Magnetfelds geeigneten Bauteil wird
durch die Relativbewegung zwischen dem zum Erzeugen eines Magnetfelds
geeigneten Bauteil und dem elektrischen Leiter des Sensors eine Span nung
induziert, die in dem elektrischen Leiter des Aktorelementes einen
Strom erzeugt, der wiederum in dem Magnetfeld des zum Erzeugen eines Magnetfelds
geeigneten Bauteils eine Kraft erzeugt, die der Bewegung des zum
Erzeugen eines Magnetfelds geeigneten Bauteils entgegenwirkt und
diese Bewegung somit dämpft. Gegebenenfalls kann diese Kraft
auch in ein Moment umgewandelt werden.
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Eine
einfache Ausführungsform des zum Erzeugen eines Magnetfelds
geeigneten Bauteils kann darin bestehen, dass dieses als Permanentmagnet ausgebildet
ist.
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Wenn
in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung zwischen dem
Sensorelement und dem Aktorelement ein Verstärkungselement
vorgesehen ist, so wird hierdurch eine Verstärkung des
von dem Sensorelement erfassten Signals erreicht, wodurch eine erhebliche
Reduzierung des Bauraums erzielt werden kann, den eine solche Dämpfungseinrichtung erfordert,
was insbesondere beim Einsatz des optischen Elements in einem Lithographieobjektiv äußerst
vorteilhaft ist.
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Wenn
in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist,
dass das Sensorelement und das Aktorelement durch unterschiedliche
Bauteile gebildet sind, so ergeben sich sehr gute Voraussetzungen
für den Einsatz des oben beschriebenen Verstärkungselements
und es ist außerdem möglich, das Sensorelement
vollkommen unabhängig von dem Aktorelement auszulegen und
umgekehrt.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass das Dämpfungselement mit mechanischer Verstärkung ausgeführt
ist. Eine solche mechanische Verstärkung vergrößert
die Messgröße des Sensorlementes und oder die
Kraft bzw. das Moment des Aktorelementes. Es kann die erreichbare
Dämpfung erheblich erhöhen und/oder den für
die Dämpfungseinrichtung erforderlichen Bauraum verringern.
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Alternativ
oder zusätzlich kann das Verstärkungselement als
e lektronischer Verstärker ausgebildet sein, um die erreichbare
Dämpfung zu erhöhen. Der besondere Vorteil eines
elektronischen Verstärkers liegt in der sehr geringen erzielbaren
Baugröße.
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Des
weiteren kann vorgesehen sein, dass das Sensorelement und das Aktorelement
durch ein und dasselbe Bauteil gebildet sind. Dabei ruft die Spannung
die in dem elektrischen Leiter induziert wird einen Strom und damit
auch die Kraftwirkung hervor. Demnach bildet dieser elektrische
Leiter zusammen mit dem zum Erzeugen eines Magnetfelds geeigneten
Bauteil Sensor und Aktor zugleich.
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Dies
stellt eine besonders einfache Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dar, die mit einer äußerst geringen
Anzahl an Bauteilen realisiert werden kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass das Sensorelement als optischer Sensor ausgestaltet ist,
dies hat den Vorteil, dass der Sensor die Bewegungen seines Messpunktes
auch von einer größeren Entfernung messen kann
oder dass der Messpunkt große Bewegungen ausführen
kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen
werden, dass das Sensorelement als absolut messender Beschleunigungssensor
mit nachgeschaltetem Integrierer ausgebildet ist, dies hat den Vorteil,
dass diese Sensoren in sehr kleinen Abmessungen verfügbar
sind. Absolut messend in diesem Zusammenhang bedeutet, dass die
Beschleunigung gegenüber einem Punkt gemessen wird, der
sich nicht bewegt. Möchte man dabei die Beschleunigung
des optischen Elements bezüglich eines Dämpfungsbezugspunktes
messen, der nicht raumfest ist, kann man zwei absolut messende Beschleunigungssensoren
verwenden, von denen der eine die absolute Beschleunigung des optischen Elementes
misst und der andere die Beschleunigung des Dämpfungsbezugspunktes
und die Differenz daraus bilden.
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Um
eine unmittelbare Dämpfung der Schwingungen zwischen dem
optischen Element und einem dasselbe aufnehmenden Halteelement zu erreichen, kann
in einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen
sein, dass das zum Erzeugen eines Magnetfelds geeignete Bauteil
an dem optischen Element und der elektrische Leiter an einem Halteelement
für das optische Element angebracht sind. Dadurch wird
die in dem elektrischen Leiter erzeugte Wärme vorteilhafterweise
von dem optischen Element ferngehalten.
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Hierbei
kann das Halteelement Teil einer Fassung für das optische
Element sein.
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In
einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen
sein, dass das zum Erzeugen eines Magnetfelds geeignete Bauteil
an einem Bauteil einer Fassung für das optische Element und
der elektrische Leiter an einem anderen Bauteil der Fassung für
das optische Element angebracht sind. Eine solche Integration der
Dämpfungseinrichtung in die Fassung des optischen Elements
kann sowohl aus Bauraumgründen als auch aus Gründen
einer besseren Dämpfung der Schwingungen an ihrem Entstehungsort
bzw. zur Dämpfung von Verformungen des optischen Elements
eingesetzt werden.
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Um
Schwingungen in mehreren Richtungen dämpfen zu können,
kann in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein,
dass zur Dämpfung mehrerer Freiheitsgrade des optischen Elements
mehrere Dämpfungseinrichtungen vorgesehen sind.
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Eine
Fassung mit wenigstens einem erfindungsgemäßen
optischen Element ist in Anspruch 19 angegeben.
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Anspruch
20 betrifft ein Lithographieobjektiv mit wenigstens einem erfindungsgemäßen
optischen Element.
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Anspruch
21 bezieht sich auf eine Projektionsbelichtungsanlage mit einem
Beleuchtungssystem und mit einem derartigen Lithographieobjektiv.
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Mittels
einer derartigen Projektionsbelichtungsanlage lässt sich besonders
vorteilhaft ein Verfahren zur Herstellung von Halbleiterbauelementen, wie
in Anspruch 22 angegeben, durchführen.
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Nachfolgend
sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung
prinzipmäßig dargestellt.
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Es
zeigt:
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1 das
erfindungsgemäße optische Element mit einer Dämpfungseinrichtung
in einer ersten Ausführungsform;
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2 das
erfindungsgemäße optische Element mit einer Dämpfungseinrichtung
in einer zweiten Ausführungsform, wobei das optische Element
in einer Fassung untergebracht ist;
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3 das
erfindungsgemäße optische Element mit einer Dämpfungseinrichtung
in einer dritten Ausführungsform;
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4 eine
erste Ausführungsform eines Verstärkungselements
für die Dämpfungseinrichtung des erfindungsgemäßen
optischen Elements;
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5 eine
zweite Ausführungsform eines Verstärkungselements
für die Dämpfungseinrichtung des erfindungsgemäßen
optischen Elements;
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6 eine
Seitenansicht einer Dämpfungseinrichtung des erfindungsgemäßen
optischen Elements;
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7 einen
Schnitt durch die Dämpfungseinrichtung nach der Linie VII-VII
aus 5;
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8 einen
Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Lithographieobjektiv
einer Projektionsbelichtungsanlage;
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9 eine
erste Ausführung bei der Anordnung des Sensorelements gegenüber
dem optischen Element;
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10 eine
zweite Ausführung bei der Anordnung des Sensorelements
gegenüber dem optischen Element;
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11 eine
dritte Ausführung bei der Anordnung des Sensorelements
gegenüber dem optischen Element;
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12 eine
erste Ausführung eines Messsystems, das ein Sensorelement
gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst;
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13 eine
zweite Ausführung eines Messsystems, das zwei Sensorelemente
gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst;
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14 eine
dritte Ausführung eines Messsystems, das ein Sensorelement
gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst;
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15 eine
vierte Ausführung eines Messsystems, das ein Sensorelement
gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst;
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16 eine
erste Ausführungsform des Aktorelements gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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17 eine
zweite Ausführungsform des Aktorelements gemäß der
vorliegenden Erfindung;
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18 eine
dritte Ausführungsform des Aktorelements gemäß der
vorliegenden Erfindung; und
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19 eine
vierte Ausführungsform des Aktorelements gemäß der
vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt
in einer sehr schematischen Darstellung ein optisches Element 1 mit
einer an demselben angebrachten Dämpfungseinrichtung 2.
Bei dem optischen Element 1 handelt es sich im vorliegenden Fall
um eine Linse, es könnte sich jedoch auch um einen Spiegel
oder um ein anderes optisches Element 1 handeln.
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Die
Dämpfungseinrichtung 2 weist ganz allgemein wenigstens
ein die Bewegungen des optischen Elements 1 in wenigstens
einem Freiheitsgrad erfassendes Sensorelement 3 und wenigstens
ein mit dem Sensorelement 3 in Wirkverbindung stehendes,
auf das optische Element 1 zumindest mittelbar wirkendes
Aktorelement 4 auf, das anhand der von dem Sensorelement 3 erfassten
Bewegungen des optischen Elements 1 das optische Element 1 durch Erzeugen
einer Kraft oder eines Moments in wenigstens einem Freiheitsgrad
dämpft.
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In
der in 1 dargestellten Ausführungsform sind
das Sensorelement 3 und das Aktorelement 4 durch
ein und dasselbe Bauteil gebildet, d. h. das Sensorelement 3 wirkt
zugleich als Aktorelement 4 bzw. umgekehrt. So weist die
Dämpfungseinrichtung 2 und damit auch das Sensorelement 3 und
das Aktorelement 4 einen elektrischen Leiter 5 und
ein gegenüber dem elektrischen Leiter 5 bewegliches, zum
Erzeugen eines Magnetfelds geeignetes Bauteil 6 auf. Bei
der in 1 dargestellten Ausführungsform der Dämpfungseinrichtung 2 ist
der elektrische Leiter 5 als Spule ausgebildet und das
zum Erzeugen eines Magnetfelds geeignete Bauteil 6 ist
als Permanentmagnet ausgebildet. Als Permanentmagnete können
beispielsweise Samarium-Kobalt-Magnete verwendet werden, da dieses
Material nicht ausgast und keine Verschmutzungen erzeugt, wohingegen für
die elektrischen Leiter 5 beispielsweise Aluminium geeignet
ist, da es sich hierbei um einen guten elektrischen Leiter handelt,
der darüber hinaus bei der Verwendung in einem Lithographie-Objektiv
nicht zu Schwierigkeiten führt. Statt eines Permanentmagneten
könnte selbstverständlich auch ein Elektromagnet
als das zum Erzeugen eines Magnetfelds geeignete Bauteil 6 eingesetzt
werden. Des weiteren könnte, entgegen der Darstellung,
das zum Erzeugen eines Magnetfelds geeignete Bauteil 6 auch
in Form eines Topfmagneten ausgeführt sein, in dessen Hohlraum
sich der elektrische Leiter 5 befindet.
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Das
zum Erzeugen eines Magnetfelds geeignete Bauteil 6 ist
im vorliegenden Fall an dem optischen Element 1 angebracht
und taucht in den elektrischen Leiter 5 ein. Wenn sich
also das optische Element 1 bewegt, führt das
zum Erzeugen eines Magnet felds geeignete Bauteil 6 gegenüber
dem elektrischen Leiter 5 eine der Bewegung des optischen
Elements 1 entsprechende Bewegung aus, wodurch in dem elektrischen
Leiter 5 eine Spannung induziert wird, die in dem von dem
zum Erzeugen eines Magnetfelds geeigneten Bauteil 6 erzeugten
Magnetfeld einen Strom und dadurch eine Kraft erzeugt, die der Bewegung
des zum Erzeugen eines Magnetfelds geeigneten Bauteils 6 entgegengerichtet
ist und dadurch die Bewegung des zum Erzeugen eines Magnetfelds
geeigneten Bauteils 6 und somit des optischen Elements 1 dämpft.
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Mit
anderen Worten, der elektrische Leiter 5 und das zum Erzeugen
eines Magnetfelds geeignete Bauteil 6 ermitteln zunächst
die Bewegungen bzw. Schwingungen des optischen Elements 1 und
wirken damit als Sensorelement 3. Durch die Erzeugung der der
Bewegung des zum Erzeugen eines Magnetfelds geeigneten Bauteils 6 entgegenwirkenden
Kraft wirken der elektrische Leiter 5 und das zum Erzeugen eines
Magnetfelds geeignete Bauteil 6 als Aktorelement 4 und
dämpfen die Bewegungen bzw. Schwingungen des optischen
Elements 1.
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Die
durch das Magnetfeld des zum Erzeugen eines Magnetfelds geeigneten
Bauteils 6 erzeugte Kraft ist vorzugsweise im wesentlichen
zu der Geschwindigkeit des zum Erzeugen eines Magnetfelds geeigneten
Bauteils 6 und damit zu der Geschwindigkeit der Schwingung
des optischen Elements 1 proportional, so dass das optische
Element 1 mit einer im wesentlichen linearen Kennlinie
gedämpft wird. Bei der Dämpfungseinrichtung 2 in
ihrer einfachsten Ausführungsform handelt es sich also
um ein passives Bauteil, das ohne jegliche externe Elektronik auskommt.
Bei einigen Ausführungsformen kann das Aktorelement 4 auch über
ein Moment auf das optische Element 1 einwirken. Ganz allgemein
ist die von dem Aktorelement 4 erzeugte Kraft oder das
von dem Aktorelement 4 erzeugte Moment zu der Geschwindigkeit
der Bewegung des optischen Elements 1 proportional.
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2 zeigt
eine Fassung 7, welche zum Halten des optischen Elements 1 dient.
Die Fassung 7 weist in an sich bekannter Weise einen Außenring 8 und
einen Innenring 9 auf, an welchem das op tische Element 1 angebracht
ist. Der Außenring 8 bildet damit, wie auch der
Innenring 9, ein Halteelement für das optische
Element 1. Die Verbindung zwischen dem Innenring 9 und
dem optischen Element 1 kann in an sich bekannter Weise
erfolgen. Bei dieser Art der Verbindung des optischen Elements 1 mit
dem Innenring 7 können diese beiden Teile hinsichtlich
ihrer Schwingungen gegenüber dem Außenring 8 als
ein Bauteil und damit als Einmassenschwinger angesehen werden. Im
allgemeinen kann bei hinreichend starrer Verbindung zwischen dem
optischen Element 1 und dem Innenring 9 der Innenring 9 als
zu dem optischen Element 1 gehörend angesehen
werden.
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Um
die Schwingungen des optischen Elements 1, welche aufgrund
dieser starren Verbindung auf den Innenring 9 und von dort
auf den Außenring 8 übertragen werden,
zu dämpfen, sind zwischen dem Innenring 9 und
dem Außenring 8 zwei Dämpfungseinrichtungen 2 vorgesehen,
welche jeweils ein Sensorelement 3 und ein Aktorelement 4 aufweisen. Mittels
der Dämpfungseinrichtungen 2 ist es auch möglich,
von außen auf den Außenring 8 übertragene Schwingungen,
die sich über den Innenring 9 auf das optische
Element 1 übertragen, zu dämpfen, indem angestrebt
wird, die relative Bewegung zwischen dem Außenring 8 und
dem optischen Element 1 so weit wie möglich zu
reduzieren. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform
sind das Sensorelement 3 und das Aktorelement 4 durch
unterschiedliche Bauteile gebildet. Die beiden Sensorelemente 3 sind im
Prinzip wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben
ausgeführt, d. h. sie weisen den elektrischen Leiter 5 und
das zum Erzeugen eines Magnetfelds geeignete Bauteil 6 auf,
welche relativ zueinander beweglich sind. Im vorliegenden Fall ist
das zum Erzeugen eines Magnetfelds geeignete Bauteil 6 an dem
Innenring 9 und somit an dem optischen Element 1 und
der elektrische Leiter 5 an dem Außenring 8 und
damit an einem Halteelement für das optische Element 1 angebracht.
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Die
beiden Aktorelemente 4 sind ebenfalls zwischen dem Außenring 8 und
dem Innenring 9 vorgesehen und sind in der Lage, durch
Aufbringen einer entsprechenden Kraft bzw. eines Moments den Innenring 9 mit
dem optischen Element 1 gegenüber dem Außenring 8 zu
bewegen und auf diese Weise die von den Sensorelementen 3 erfassten
Bewegungen des optischen Elements 1 bzw. des Innenrings 9 zu
dämpfen. Dabei stützen sich die Aktorelemente 4 an
dem Außenring 8 ab. Die Aktorelemente 4,
allgemein gesprochen das wenigstens eine Aktorelement 4,
steht mit dem Sensorelement 3 auf nicht dargestellte Art
und Weise in Wirkverbindung und wirkt zumindest mittelbar auf das
optische Element 1.
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Diese
Ausführungsform, bei welcher für zwei unterschiedliche
Bewegungsrichtungen bzw. für zwei Freiheitsgrade des optischen
Elements 1 zwei Dämpfungseinrichtungen 2 vorgesehen
sind, kann auch bei sämtlichen anderen hierin beschriebenen Ausführungsformen
vorgesehen sein. Allgemein gesprochen können zur Dämpfung
mehrerer Freiheitsgrade des optischen Elements 1 mehrere
Dämpfungseinrichtungen 2 vorgesehen sein.
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In
einer nicht dargestellten Ausführungsform könnte
das zu Erzeugen eines Magnetfelds geeignete Bauteil 6 auch
direkt an dem optischen Element 1 und der elektrische Leiter 5 an
einem Halteelement für das optische Element 1 angebracht
sein. Des weiteren ist es bei sämtlichen Ausführungsformen
auch möglich, den elektrischen Leiter 5 an dem
optischen Element 1 anzubringen und das zum Erzeugen eines Magnetfelds
geeignete Bauteil 6 entweder starr zu lagern oder an einem
Halteelement für das optische Element 1 anzubringen.
Die Anbringung des zum Erzeugen eines Magnetfelds geeigneten Bauteil 6 an dem
optischen Element 1 hat insbesondere bei der zu einem späteren
Zeitpunkt beschriebenen aktiven Ausführungsform der Dämpfungseinrichtung 2 den Vorteil,
dass keine elektrischen Leitungen zu dem optischen Element 1 geführt
werden müssen.
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In 3 ist
die Trennung zwischen dem Sensorelement 3 und dem Aktorelement 4 nochmals
dargestellt. Dabei weist sowohl das Sensorelement 3 als auch
das Aktorelement 4 jeweils den elektrischen Leiter 5 bzw. 13 und
das zum Erzeugen eines Magnetfelds geeignete Bauteil 6 auf.
Bei dem Sensorelement 3 dienen diese beiden Teile jedoch
zum Erfassen der Bewegungen des optischen Elements 1 in wenigstens
einem Freiheitsgrad, wohingegen sie bei dem Aktorelement 4 zum
Dämpfen der von dem Sensorelement 3 erfassten
Bewegungen des optischen Elements 1 durch Erzeugen einer
Kraft oder eines Moments in wenigstens einem Freiheitsgrad dienen.
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4 zeigt
eine Ausführungsform der Dämpfungseinrichtung 2,
bei der eine mechanischen Verstärkung appliziert wurde
Der Verstärker besteht aus zwei Hebelelementen 11 und 12,
die ein mechanisches Verstärkungselement 10 bilden
und zwischen denen der Hebel drehbar gelagert ist und somit der Übersetzungsmechanismus
realisiert wurde. Das Hebelelement 12 ist, mit der Dämpfungseinrichtung 2 verbunden.
Die Dämpfungseinrichtung 2 ist also über
das Hebelelement 12 mit dem an dem Innenring 9 angebrachten
optischen Element 1 verbunden. Durch die mechanische Übersetzung
des Weges des Innenringes 9 kann die Dämpfungskonstante der
Dämpfungseinrichtung 2 erhöht und auf
diese Weise der erforderliche Bauraum bei gleicher Dämpfung
verringert werden. Ein solcher mechanischer Verstärker
ist besonders wirkungsvoll, da sich die wirksame Dämpfungskonstante
im Quadrat des durch die Hebelelemente 11 und 12 erzeugten Übersetzungsverhältnisses ändert.
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Eine
weitere Ausführungsform der Dämpfungseinrichtung 2 für
das optische Element 1 ist in 5 dargestellt.
Hierbei weist die Dämpfungseinrichtung 2 ein als
elektronischer Verstärker ausgebildetes Verstärkungselement 10 auf.
Außerdem ist zusätzlich zu dem elektrischen Leiter 5 ein
weiterer elektrischen Leiter 13 vorgesehen, der im vorliegenden
Fall als zweiter elektrischer Leiter 13 bezeichnet wird.
Hierbei dient der erste elektrische Leiter 5 zum Sensieren
der Bewegung des in diesem Fall nicht dargestellten zum Erzeugen
eines Magnetfelds geeigneten Bauteils 6 und kann daher
auch als „Sensorspule" bezeichnet werden, wohingegen der
zweite elektrische Leiter 13 zur Erzeugung einer Gegenkraft für
das zum Erzeugen eines Magnetfelds geeignete Bauteil 6 dient
und daher auch als „Aktorspule" bezeichnet werden kann.
Der erste elektrische Leiter 5 ist also dem Sensorelement 3 und
der zweite elektrische Leiter 13 ist dem Aktorelement 4 zugeordnet.
In der dargestellten Ausführungsform des Verstärkungselements 10 sind
die beiden elektrischen Leiter 5 und 13 in Bewegungsrichtung
des für das zum Erzeugen eines Magnetfelds geeignete Bauteil 6 hintereinander
angeordnet. Gegebenenfalls könnte für die beiden
elektrischen Leiter 5 und 13 dasselbe zum Erzeugen
eines Magnetfelds geeignete Bauteil verwendet werden.
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Die
Aktorspule, also der zweite elektrische Leiter 13, ist
vorzugsweise als eine eine stromproportionale Kraft erzeugende Tauchspule
ausgeführt, bei deren Auslegung lediglich die zulässige
Abwärme und die maximalen Kräfte und aufgrund
der elektronischen Verstärkung nicht mehr die Dämpfungskonstante
den Bauraum bestimmen. Die Sensorspule, also der erste elektrische
Leiter 5, kann ebenfalls als Tauchspule ausgeführt
sein und erzeugt eine Spannung, die von der Geschwindigkeitsamplitude
der Schwingung des mit derselben zusammenarbeitenden zum Erzeugen
eines Magnetfelds geeigneten Bauteils abhängt. Diese Spannung
wird in dem Verstärkungselement 10 verstärkt
und an den elektrischen Leiter 13 des Aktorelements 4 weitergegeben. Entscheidend
für die Ausgestaltung des Sensorelementes 3, also
in diesem Fall des zweiten elektrischen Leiters 5, ist
das Signal-Rausch-Verhältnis.
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Alternativ
ist es auch möglich, Beschleunigungssensoren mit nachgeschaltetem
Integrierer oder Wegsensoren mit nachgeschaltetem Differenzierer
für das Verstärkungselement 10 in seiner
Ausgestaltung als elektronischer Verstärker zu verwenden.
Hierbei kann gegebenenfalls auf in Lithographieobjektiven bereits
vorhandene Bauteile zurückgegriffen werden.
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Aufgrund
der zu erwartenden geringen Ströme kann die Elektronik
des Verstärkungselements 10 auch aus einfachen
Operationsverstärkerschaltungen bestehen. Des weiteren
kann das Verstärkungselement 10 gegebenenfalls
direkt in die Fassung 7 integriert werden, wenn das optische
Element 1 in einer Fassung 7 gehalten ist. Dann
ist für das manipulierte optische Element 1 lediglich
eine Niederspannungsversorgung erforderlich, wobei die zu erwartende
Verlustwärme hinreichend gering ist. Wenn die beiden elektrischen
Leiter 5 und 13 an ein und demselben Ort platziert
werden und die Bandbreite der Sensorspule und der Elektronik er heblich
höher als die dominanten Eigenfrequenzen ist, so können eventuelle
Stabilitätsprobleme der aktiven Dämpfung vermieden
werden. Insofern ist auch ein Reglerentwurf nicht erforderlich.
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Die 6 und 7 zeigen
eine weitere Ausführungsform der Dämpfungseinrichtung 2 zur Dämpfung
der Schwingungen des optischen Elements 1, bei der die
Sensorfunktion und die Aktorfunktion in einem elektrischen Leiter 5 und
einem zu Erzeugung eines Magnetfelds geeigneten Bauteils 6 integriert
ist. Hierbei ist das zum Erzeugen eines Magnetfelds geeignete Bauteil 6 in
nicht dargestellter Weise an dem Außenring der hier ebenfalls
nicht dargestellten Fassung angebracht und der elektrische Leiter 5 ist
als Blech ausgeführt. Das zum Erzeugen eines Magnetfelds
geeignete Bauteil 6 besteht dabei aus zwei Eisen 6a,
die auf einem Permanentmagneten 6b angebracht sind und
dessen Wirkung verstärken. Der Stromverlauf ist durch die
gestrichelte, der Verlauf des Magnetfelds durch die strichpunktierte
Linie dargestellt. Besondere Vorteile dieser Ausführungsform
der Dämpfungseinrichtung 2 ist deren geringe Größe
und insbesondere die geringe Bauhöhe von im vorliegenden
Fall nur 20 mm.
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In 8 ist
auf äußerst schematische Weise ein Lithographieobjektiv 14 dargestellt,
welches ein Gehäuse 15 aufweist, in dem mehrere
optische Elemente angeordnet sind, darunter auch eines oder mehrere
der oben beschriebenen optischen Elemente 1 mit der Dämpfungseinrichtung 2,
die jedoch nicht erkennbar ist. Das Lithographieobjektiv 14 ist
Teil einer Projektionsbelichtungsanlage 16, welche zur Herstellung
von Halbleiterbauelementen dient und ein an der Oberseite des Lithographieobjektivs 14 angebrachtes
Beleuchtungssystem 17 mit einer Lichtquelle 18 aufweist,
die einen Strahlengang 19 durch das Lithographieobjektiv 14 sendet,
mit welchem ein Reticle 20 in an sich bekannter Weise auf
einen sich unterhalb des Lithographieobjektivs 14 befindlichen Wafer 21 abgebildet
wird. Die optischen Elemente, die im vorliegenden Fall allesamt
als Linsen ausgeführt sind, sind mittels jeweiliger Fassungen 5 in
dem Gehäuse 15 des Lithographieobjektives 14 gehalten. Statt
wie in sämtlichen Figuren dargestellt als Linsen könnten
die optischen Elemente 1 auch als Spiegel, als sogenann te
Beamsplitter oder als andersartige optische Elemente ausgebildet
sein.
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Die 9 bis 11 zeigen
verschiedene Ausführungen bei der Anordnung des Sensorelements 3 gegenüber
dem optischen Element 1. Das Sensorelement 3 weist
mindestens einen Sensor auf, der die Bewegung, die Auslenkung, die
Geschwindigkeit oder die Beschleunigung des optischen Elements 1 in
mindestens einem Freiheitsgrad misst. Der Messwert ist dabei die
Bewegung des Messpunktes relativ zu einem Bezugspunkt. Falls mehrere Sensoren
vorhanden sind, wie dies bei den Ausführungen der 9 und 11 der
Fall ist, so können diese im Überlagerungsprinzip
die Bewegung des optischen Elements 1 bestimmen, wie in 9 dargestellt,
oder diese in Differenzanordnung messen, wie gemäß 11.
Dadurch ist eine Fehlerkompensation möglich.
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Bei
sämtlichen dieser Anordnungen kann ein Dämpfungsbezugspunkt 22,
also der Punkt bzw. ein physikalisches Bauteil oder ein imaginärer
Raumpunkt, der nicht feststehen muss, bezüglich dessen die
Bewegungen des optischen Elements 1 minimiert bzw. gedämpft
werden sollen, ein Punkt auf dem Objektiv 14 oder das gesamte
Objektiv 14 oder ein Punkt auf der oder die gesamte Objektivaufnahme oder
ein nicht beweglicher Raumpunkt sein. In 10 ist
der Dämpfungsbezugspunkt 22 an einem beliebigen
festen Körper bzw. der festen Welt 23 angeordnet.
Dieser feste Körper 23 kann beispielsweise auch
durch das Lithographieobjektiv 14 gebildet werden. Falls
nicht die Bewegung sondern die Verformung des optischen Elementes 1 gedämpft
werden soll, kann sich der Dämpfungsbezugspunkt 22 auch auf
dem optischen Element 1 befinden. Der Dämpfungsbezugspunkt 22 steht,
wie nachfolgend deutlich wird, mit einem Messpunkt bzw. einer Anmessfläche 24 in
Zusammenhang, der sich bei der Ausführungsform gemäß 10 auf
dem optischen Element 1 befindet.
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Das
Sensorelement 3 kann zur Messung von Weg, Geschwindigkeit
oder Beschleunigung aufgeführt sein, wobei bei einer Wegmessung
das erhaltene Signal differenziert und bei einer Beschleunigungsmessung
integriert werden muss. Als Sensorelemente 3 kommen neben
den detailliert beschriebenen Sensorelementen 3 auch optische,
kapazitive, Wirbelstrom-, nach dem Lorentzprinzip arbeitende, analoge
oder digitale Sensorelemente 3 mit analogem oder digitalem
Ausgang in Frage.
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Die 12 bis 15 zeigen
verschiedene Ausführungen eines Meßsystems, welches
das Sensorelement 3 umfasst. Ein Messsystem weist ganz allgemein
wenigstens ein Sensorelement 3 auf, das die Bewegungen
des optischen Elements 1 in mindestens einem Freiheitsgrad
bezüglich des Dämpfungsbezugspunktes 22 misst.
Dazu hat wenigstens ein Sensorelement 3 seinen Messpunkt 24 an
dem optischen Element 1 selbst oder auf einem Körper bzw.
einem Punkt, von dessen Bewegung man auf die Bewegung des optischen
Elements 1 schließen kann, und wenigstens ein
Sensorelement 3 hat seinen Bezugspunkt auf dem Dämpfungsbezugspunkt 22 oder
auf einem Punkt bzw. Körper von dessen Bewegung man auf
die Bewegung des Dämpfungsbezugspunkts 22 schließen
kann. Hierbei sind die Messrichtungen auch umkehrbar.
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Bei
den Ausführungsformen gemäß der 12 und 13 liegt
der Dämpfungsbezugspunkt 22 jeweils auf dem Außenring 8.
Bei der Ausführungsform gemäß 14 sind
durch jeweilige Ausfräsungen 25 mehrere Festkörpergelenke 25 erzeugt worden,
die ermöglichen, dass ein äußerer und
ein innerer Teil des Innenrings 9 der Fassung 7 beweglich
zueinander sind. Der Innenring 9 bildet dabei gleichzeitig
den Dämpfungsbezugspunkt 22 und den Messpunkt
bzw. die Anmessfläche 24. Bei der Ausführungsform
von 15 ist das eine Sensorelement 3 an dem
Außenring 8 und das andere Sensorelement 3 an
dem festen Körper 23 bzw. der festen Welt angeordnet.
Damit befindet sich der Dämpfungsbezugspunkt 22 auf
der festen Welt.
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Die 16 bis 19 zeigen
verschiedene Ausführungsformen des Aktorelements 4.
Hierbei ist dem Aktorelement 4 gemäß 16 eine
freie Masse 27 als Reaktionsmasse zugeordnet. Bei der Ausführungsform
von 17 stützt sich das Aktorelement 4 einerseits
an dem optischen Element 1 und andererseits an dem festen
Körper 23 ab. Die schematische Darstellung von 18 stellt die
Anordnung des optischen Elements 1 innerhalb der Fassung 7 und
die Beaufschlagung desselben durch zwei Aktorelemente 4 dar,
die sich einerseits an dem optischen Element 1 und andererseits
an einem Bauteil der Fassung 7 abstützen. Eine
Ausführungsform des Aktorelements 4 als pneumatischer
Aktor ist in 19 dargestellt. Prinzipiell
kann jedes Aktorelement 4 mit jedem Sensorelement 3 kombiniert
werden. Als Aktorelemente 4 kommen insbesondere magnetische, nach
dem Lorentz-Prinzip arbeitende, elektrostatische, pneumatische,
Piezo-, magnetorestriktive oder mechanische Aktorelemente 4 in
Frage.
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Allgemein
weist ein Aktorelement 4 mindestens einen Aktor auf, der
in mindestens einem Freiheitsgrad eine Kraft oder ein Moment erzeugen
kann. Der wenigstens eine Aktor hat mindestens zwei Anbindungspunkte,
denen er gemäß dem Gesetz von Actio und Reactio
entgegen gesetzte Kräfte und/oder Momente aufprägt.
Ein Aktorsystem weist mindestens ein Aktorelement 4 auf,
das die Bewegungen des optischen Elements 1 in mindestens
einem Freiheitsgrad durch Aufbringen einer Kraft oder eines Momentes
bezüglich des Dämpfungsbezugspunktes 22 dämpft.
Dazu ist mindestens ein Aktorelement 4 mit mindestens einem
Ende an das zu dämpfende optische Element 1 oder
an einen Punkt bzw. Körper angebunden, dessen durch die
Aktorkraft aufgeprägte Bewegungen die Bewegung des optischen
Elementes 1 manipuliert. Mindestens ein weiteres Ende des
Aktorelements 4 stützt sich an einem weiteren Körper
oder Punkt oder ebenfalls an dem optischen Element 1, wobei
es im letztgenannten Fall möglich ist, Verformungen des
optischen Elements 1 zu dämpfen.
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Falls
die Kräfte bzw. Momente des Aktorelements 4 nicht
nur abhängig von seinem Ansteuersignal sondern auch von
der Relativbewegung der oben beschriebenen Anbindungspunkte abhängig
sind, so kann das Sollsignal die Eigencharakteristik des Aktorelements 4 bereits
enthalten, um die Auswirkungen der Eigencharakteristik auf das optische
Element 1 zu kompensieren. Für diese Kompensation
kann die relative Bewegung der oben beschriebenen Anbindungspunkte
mit einem weiteren Meßsystem gemessen werden, für das
dann die oben beschriebenen Anbindungspunkte Messpunkt bzw. Bezugspunkt
sind.
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Dem
unter Bezugnahme auf 5 erläuterten, als
elektronischem Verstärker ausgebildeten Verstärkungselement 10 kann
ein nicht dargestelltes Reglerelement vor-, nach- oder parallel
geschaltet sein. Als Reglerelement wird eine Prozesseinheit angesehen,
die aus mindestens einem Signal eines Messsystems mindestens einen
Eingang für ein Aktorsystem bestimmt, so dass die sich
daraus ergebende Kraft des Aktorsystems über ein größeres
Frequenzband die Schwingungsbewegung des optischen Elements 1 bezüglich
des Dämpfungsbezugpunkts 22 dämpft. Diese
Einheit kann rein elektrisch oder in einer Hybridform mechanisch-elektrisch
arbeiten. Insbesondere elektrisch kann sie wiederum rein analog,
rein digital oder ebenfalls in einer Hybridform ausgestaltet sein.
Ausführungsbeispiele für ein derartiges Reglerelement
sind ein PID-Regler, ein Fuzzyregler, ein Zustandsregler, ein adaptiver
Regler oder ein geschwindigkeitsproportionaler Kraftregler mit einem
Filter zweiter Ordnung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6580570
B2 [0002]
- - US 6229657 B1 [0003]
- - US 6191898 B1 [0004]
- - US 6700715 B1 [0006]
- - US 6750949 B2 [0007]
- - US 6327024 B1 [0008]
- - US 2005/0035684 A1 [0008]