-
Die Erfindung betriff ein Verfahren zum reproduzierbaren Einstellen einer vorbestimmten Position an einem optischen System sowie ein optisches System.
-
Aus der
DE 10 2006 047 666 A1 ist ein Objektiv und ein Justierverfahren bekannt, bei dem eine Linse durch Einwirken eines Aktors justiert wird. Die Linse ist durch Haltelemente geschalten, wobei ein Aktor auf ein Haltelement einwirkt. Das Haltelement besitzt eine Federsteifigkeit und das optische Element ist in einer Ausführungsform u-förmig ausgebildet. Die u-förmige Ausnehmung umfasst dabei jedoch nicht die gesamte Seitenfläche der Linse.
-
Bei dem optischen System nach der vorliegenden Erfindung kann es sich beispielsweise um ein Objektiv handeln, wobei eine optische Linse bezüglich einer Fassung positioniert wird.
-
Die Fassung sollte möglichst so ausgebildet sein, daß die Linse spannungsfrei ist, eine genaue Positionierung der Linse möglich ist und diese Position auch unter Umwelt- und Transportbelastungen beibehalten wird. Daher kann die mechanische Kopplung nicht vollkommen starr ausgeführt werden, da dann zu große Kräfte wirken würden, die nur schwierig von der Linse zu entkoppeln sind. Somit wird die optische Kopplung häufig elastisch ausgeführt, wobei immer auch Reibungskräfte wirken. Daher kann es bei nicht zu vermeidenden äußeren Einflüssen, wie z. B. der Demontage bzw. Neumontage des Systems, Stößen, Schwingungen, ... während des Transports, des Handlings oder des Einsatz des Systems, aufgrund der Änderung der Lage des Systems zur Gebrauchslage und/oder aufgrund von Temperatureinflüssen zu Relativbewegungen zwischen der Linse und der Fassung kommen. Diese Relativbewegungen sind in der Regel nicht vollständig reversibel, da aufgrund von vorliegenden Haftreibungen die ursprüngliche optimale Positionierung der Linse in der Fassung nicht mehr erreicht wird.
-
Dies führt zu der Schwierigkeit, daß das optische System schlechtere Abbildungseigenschaften aufweist, die unter Umständen bis zu einem Totalausfall führen können. Ferner können Parameter bei der Optimierung des optischen Systems nicht reproduzierbar erreicht werden, wobei eine Aufklärung der Fehlerursache kaum möglich ist. Dies führt zu einer unerwünschten Unsicherheit bei dem optischen System und die zusicherbaren Parameter des optischen Systems sind schlechter als die, die tatsächlich nach Montage und Justage des optischen Systems erreichbar wären.
-
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum reproduzierbaren Einstellen einer Nennposition eines ersten Elementes eines optischen Systems relativ zu einem mechanisch mit dem ersten Element gekoppelten zweiten Element des optischen Systems bereitzustellen, mit dem die eingangs beschriebenen Nachteile überwunden werden können.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum reproduzierbaren Einstellen einer Nennposition eines ersten Elementes eines optischen Systems (Linse) relativ zu einem mechanisch mit dem ersten Element gekoppelten zweiten Element (Fassung) des optischen Systems, wobei zum Einstellen der Nennposition an zumindest einem der beiden Elemente so lange eine mechanische Anregungsschwingung angelegt wird, bis die Nennposition erreicht wird.
-
Mit diesem Verfahren ist es leicht möglich, immer wieder die Nennposition zu erreichen. Es muß lediglich die Anregungsschwingung an zumindest eines der beiden Elemente angelegt werden.
-
Die Anregungsschwingung wird so gewählt, daß die Haftreibung der mechanischen Kopplung bei einer von der Nennposition abweichenden Position des ersten Elementes überwunden wird.
-
Das Anlegen der Anregungsschwingung an zumindest eines der beiden Elemente kann auch als Dithering bezeichnet werden.
-
Insbesondere wird die Anregungsschwingung angelegt, wenn sich das optische System in seiner Gebrauchslage befindet. Damit wird der Vorteil erreicht, daß dann das optimal justierte (erstes Element ist in seiner Nennposition) System sofort eingesetzt werden kann.
-
Bei dem Verfahren kann die Nenn- bzw. Sollposition des ersten Elementes relativ zum zweiten Element so vorgegeben werden, daß ein stabiles Kräftegleichgewicht (bis auf auftretende Reibungskräfte) erreicht werden kann. Dies kann beispielsweise durch die Form des Kontaktbereiches zwischen beiden Elemente realisiert werden.
-
Das erste Element ist als optisches Element und das zweite Element als Fassung ausgebildet. In diesem Fall ist das optische System ein Objektiv, beispielsweise ein Hochleistungsobjektiv für Stepper, Mikroskope oder sonstige optische Einrichtungen im Bereich der Herstellung von Halbleiterelementen.
-
Es ist jedoch auch möglich, daß das erste und zweite Element jeweils Fassungen sind, die ebenfalls zueinander hochgenau positioniert werden müssen. Ferner kann das erste Element eine Fassung und das zweite Element beispielsweise ein weiteres Halteelement, zum Beispiel eine Rohrstutzen sein.
-
Die mechanische Kopplung kann insbesondere als elastischer Übergang ausgebildet werden.
-
Es wird ferner bereitgestellt ein optisches System mit einem ersten Element, einem mechanisch mit dem ersten Element gekoppelten zweiten Element sowie einem Aktor, der mit zumindest einem der beiden Elemente mechanisch gekoppelt ist, um an das zumindest eine optische Element eine mechanische Anregungsschwingung anlegen zu können, wenn die Ist-Position des ersten Elements relativ zum zweiten Element von einer vorgegebenen Nenn-Position abweicht, um das erste Element in die vorbestimmte Nenn-Position zurückzubringen.
-
Das erfindungsgemäße optische System weist den Vorteil auf, daß das erste Element reproduzierbar in die Nenn-Position gebracht werden kann.
-
Der Aktor kann von außen (direkt oder indirekt) an das zumindest eine optische Element die Schwingung anlegen. Es ist jedoch auch möglich, den Aktor in oder innerhalb eines der beiden Elemente anzuordnen. Wenn das optische System ein Objektiv ist, kann der Aktor z. B. in das Objektiv integriert sein.
-
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen optischen Systems sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Natürlich kann das optische System mehr als zwei Elemente aufweisen. Wenn das optische System ein Objektiv ist, wird es z. B. mehrere Linsen mit mehreren Linsenfassungen aufweisen. Der Aktor kann dann so ausgebildet sein, daß das gesamte Objektiv in Schwingungen versetzt wird, so daß für jede der Linsen die Nenn-Positionierung in der erfindungsgemäßen Art und Weise erreicht werden kann.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie bei dem erfindungsgemäßen System wird die Anregungsschwingung hinsichtlich Ihrer Frequenz, Amplitude und/oder Schwingungsrichtung so gewählt, daß die gewünschte Nennposition erreicht wird. Beispielsweise kann die Schwingung als Rechteckschwingung mit einer Frequenz von 50 bis einige 100 Hz an zumindest eines der beiden Elemente angelegt werden.
-
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems;
-
2 eine weitere schematische Ansicht des erfindungsgemäßen optischen Systems von 1, und
-
3 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems.
-
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße optische System 1 als Objektiv ausgebildet und umfaßt eine Linse 2 sowie eine Fassung 3, in der die Linse 2 mittels Federelementen 4 gehaltert ist. Ferner umfaßt das optische System 1 einen Aktuator 5, der eine mechanische Anregungsschwingung an die Fassung 3 anlegen kann.
-
Bei dem in 1 gezeigten Zustand befindet sich die Linse 2 in ihrer Nennposition relativ zur Fassung 3, so daß das optische System 1 im Betrieb die bestmöglichen Abbildungseigenschaften aufweist.
-
Es wird nun angenommen, daß aufgrund äußerer unerwünschter Einflüsse die Linse 2 nicht mehr in ihrer Nennposition ist, sondern in einer dazu abweichenden Istposition, die in 2 schematisch angedeutet ist. Die äußeren Einflüsse, die eine solche Istposition verursachen können, sind z. B. Stöße, Schwingungen oder sonstige mechanische äußere Einflüsse z. B. während des Transports, des Handlings oder des Einsatz des optischen Systems, Änderungen der Lage des optischen Systems während des Betriebs bzw. zum Betrieb sowie Temperatureinflüsse, die Demontage oder Neumontage des optischen Systems 1.
-
Wenn nun die in der Istposition der Linse 2 von 2 vorliegende Haftreibung zwischen den Federelementen 4 und der Linse 2 größer sind, als die Rückstellkräfte der Federelemente 4 in Richtung zur Nennposition, bleibt die Linse 2 in unerwünschter Weise in der in 2 gezeigten Istposition.
-
In diesem Fall wird das optische System 1 bzw. die Fassung 3 mittels dem Aktor 5 mit einer mechanischen Schwingung beaufschlagt, deren Frequenz, Amplitude und Schwingungsrichtung so gewählt ist, daß die zwischen den Federelementen 4 und der Linse 2 vorliegende Haftreibung überwunden wird. Dadurch bewegt sich die Linse 2 wieder in ihre Nennposition zurück, wie schematisch durch die Pfeile P1 und P2 angedeutet ist. Sobald die Linse 2 die Nennposition (1) erreicht hat, wird der Aktor 5 deaktiviert, so daß das optische System 1 wieder betriebsbereit ist.
-
Wie in 1 und 2 angedeutet ist, ist die Linse 2 so gestaltet, daß ihre Position eindeutig durch ein stabiles Kräftegleichgewicht definiert ist. Hier ist die Seitenfläche 6 der Linse 2 konkav gekrümmt, so daß, wenn die Linse 2 in Ihrer Nenn-Positionierung ist, ein stabiles Kräftegleichgewicht zwischen der Linse 2 und den Federelementen 4 vorliegt. Aufgrund dieses stabilen Kräftegleichgewichts wandert die Linse 2, wenn sie z. B. in der Ist-Position von 2 ist, bei angelegter Anregungsschwingung an die Fassung 3 in ihre Nennposition zurück. Die Fassung 3 kann somit als selbstjustierende Fassung bezeichnet werden.
-
In 3 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems gezeigt, wobei in diesem Fall das optische System 1 zwei Linsen 2, 7 aufweist, die jeweils in einer eigenen Fassung 3, 8 mittels Federelementen 4, 9 elastisch gehaltert sind. Die Fassungen 3 und 8 sind ihrerseits in einer Halterung 10 gehaltert, die mit dem Aktor 5 verbunden ist.
-
Wenn zumindest eine der beiden Linsen 2, 7 nicht mehr in ihrer in 3 gezeigten Nennposition ist, wird mittels des Aktors 5 an die Halterung 10 eine mechanische Schwingung angelegt, so daß die Linse(n) 2, 7 in ihre (jeweilige) Nennposition bzw. zurückwandern.
-
Der Aktor 5 kann bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen fest mit dem optischen System 1 verbunden sein. Beispielsweise kann der Aktor 5 als Piezoelement ausgebildet sein. Es ist jedoch auch möglich, daß der Aktor 5 nur dann in mechanischen Kontakt mit dem optischen System 1 gebracht wird, wenn die mechanische Schwingung an das optische System angelegt werden soll, um zumindest eine der Linsen 2, 7 in ihre Nennposition zurückzubringen.
-
In 4 ist eine Abwandlung der Ausführungsform von 1 gezeigt, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und zu deren Beschreibung auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Bei der Ausführungsform von 4 liegen die Federelemente 4 nicht mehr unmittelbar an der Linse 2 selbst an, sondern an einer speziell ausgebildeten Linsenhalterung 11. Diese ist so gestaltet, daß ihre Position eindeutig durch ein stabiles Kräftegleichgewicht definiert ist. Dazu ist die Seitenfläche 12 entsprechend konkav gekrümmt.
-
In 5 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem zwei Linsen 2, 7 in einer Rohrstütze 13 gehaltert sind. Die Linse 2 ist dabei in gleicher Weise wie in 4 gehaltert, so daß die Federelemente 4 zwischen der Rohrstütze 13 und der Linsenhalterung 11 angeordnet sind. Bei der Linse 2 liegen die Federelemente 9 direkt an der Seitefläche 14 der Linse 7 an.
-
Wie der 5 entnommen werden kann, sind die Linsenfassung 11 der Linse 2 sowie die Seite 14 der Linse 7 jeweils so ausgebildet, daß dadurch die Position der Linsen 2 und 7 eindeutig durch ein stabiles Kräftegleichgewicht definiert ist.
-
Die Ausführungsbeispiele können beliebig untereinander kombiniert werden. So ist es beispielsweise möglich, das optische System so auszubilden, daß eine Zentrierung von Fassungselementen zueinander erreicht wird. Insbesondere kann ein Übergang bzw. eine mechanische Kopplung in der beschriebenen Art und Weise (wie zum Beispiel mittels der Federelemente 4, 9) zwischen Fassung und Fassung, Fassung und Rohrstütze, Fassung und Optikelement und/oder zwischen Optikelementen vorliegen.
