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Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung in einem optischen System, insbesondere einer Beleuchtungseinrichtung.
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Im Betrieb optischer Systeme mit global oder lokal hoher Lichtleistungsdichte tritt das Problem auf, dass die mit der hohen Lichtleistungsdichte und der Absorption z. B. an Schichten einhergehende Temperaturerhöhung der optischen Elemente wie z. B. Linsen und der zugehörigen Fassungselemente zu Ausdehnungen bzw. Deformierungen der Elemente und/oder zu Konvektionsströmungen in vorhandenen Zwischenräumen führt, was wiederum eine Beeinträchtigung der Abbildungseigenschaften zur Folge hat.
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Darüberhinaus treten bei hohen Lichtleistungen vermehrt Beeinträchtigungen des Beleuchtungs- oder Abbildungsprozesses durch Streulicht auf, welches beispielsweise an einem diffraktiven optischen Element, wie es etwa in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage eingesetzt wird, einen nicht mehr zu vernachlässigenden Einfluss auf die Abbildungseigenschaften hat.
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Aus
WO 2006/128613 A1 ist u. a. ein Projektionsobjektiv einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage bekannt, welches wenigstens drei Teilsysteme sowie eine zwischen dem ersten und dem zweiten Teilsystem angeordnete Strahlablenkungseinrichtung aufweist, wobei im Bereich der Strahlablenkungseinrichtung wenigstens eine Abschirmung vorgesehen ist, welche ein direktes Übertreten von Streulicht aus dem ersten Teilsystem in das dritte Teilsystem reduziert.
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Aus
DE 102 10 893 A1 ist u. a. eine optische Anordnung mit einem in einem Gehäuse angeordneten optischen Bauelement, insbesondere einer Blende, bekannt, wobei das Bauelement einen optisch wirksamen ersten Bereich und einen diesen wenigstens teilweise umgebenden optisch unwirksamen zweiten Bereich aufweist. Mit dem optisch unwirksamen zweiten Bereich ist ein wärmeleitfähiges Element zum Abführen von Wärme aus dem Gehäuse heraus zu einem Wärmeabstrahlkörper verbunden, um ein mit einem Aufheizen des Blendenkörpers einhergehendes thermisches Driften der Charakteristik des optischen Systems zu reduzieren.
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Aus
WO 2005/109104 A2 ist u. a. ein optisches Bauteil bekannt, welches ein optisch wirksames Element und ein mit diesem wärmeleitend verbundenes Halteelement aufweist, wobei das Halteelement ein aktives Kühlsystem zum Abführen von Wärme von dem optischen Element aufweist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine optische Anordnung in einem optischen System, insbesondere einer Beleuchtungseinrichtung, bereitzustellen, welche auch bei hohen Lichtleistungsdichten eine effektive Abführung von im optischen System vorhandener Wärme ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
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Eine erfindungsgemäße optische Anordnung in einem optischen System weist auf:
- – wenigstens ein optisches Element, welches von wenigstens einem Fassungselement gehalten ist, und
- – wenigstens ein Wärmeabführungselement zur zumindest teilweisen Abführung von im optischen Element erzeugter Wärmenergie an die äußere Umgebung des optischen Systems,
- – wobei das Wärmeabführungselement ohne unmittelbaren Kontakt zu dem optischen Element und nur zu dem Fassungselement in unmittelbarem Kontakt angeordnet ist angeordnet ist,
- – wobei das Fassungselement wenigstens eine Wärmebarriere aufweist; und
- – wobei sich das Wärmeabführungselement über den Bereich der Wärmebarriere hinweg erstreckt.
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Dadurch, dass in der erfindungsgemäßen optischen Anordnung das Wärmeabführungselement keinen unmittelbaren bzw. direkten Kontakt zu dem optischen Element aufweist, kann eine besonders effektive Kühlung etwa durch eine aktive Kühleinrichtung mit einem zirkulierenden Kühlmedium erfolgen, ohne dass mechanische Schwingungen aus der Bewegung des Kühlmediums auf das optische System übertragen und hierdurch die optischen Elemente wie z. B. Linsen ihrerseits zu mechanischen Schwingungen angeregt werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das Vorhandensein einer Kühleinrichtung mit zirkulierendem Kühlmedium beschränkt, sondern umfasst grundsätzlich auch Anordnungen, bei denen die durch das Wärmeabführungselement nach außen geleitete Wärme z. B. über am optischen System vorhandene Kühlrippen, über Konvektion oder über Wärmestrahlung, oder auch in anderer geeigneter Weise an die äußere Umgebung abgeführt wird.
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Gemäß der Erfindung ist ferner das optische Element von wenigstens einem Fassungselement gehalten, wobei das Wärmeabführungselement nur zu diesem Fassungselement in unmittelbarem Kontakt angeordnet ist. Auf diese Weise kann zum einen wiederum eine effektive Kühlung durch eine aktive Kühleinrichtung mit zirkulierendem Kühlmedium erfolgen, ohne dass mechanische Schwingungen aus der Bewegung des Kühlmediums auf das Fassungselement übertragen werden. Zum anderen kann eine Wärmeabfuhr auch in Bezug auf Fassungselemente erfolgen, bei denen z. B. eine – ansonsten alternativ in Betracht kommende – Integrierung von Kühlkanälen in das Fassungselement selbst infolge des Vorhandenseins von Aussparungen bzw. Schlitzen in dem Fassungselement (z. B. für Festkörpergelenke oder Manipulatoren) nicht ohne weiteres realisierbar ist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Fassungselement einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich auf, wobei der zweite Bereich bezogen auf eine optische Achse des optischen Systems in radialer Richtung außerhalb des ersten Bereichs angeordnet ist, und wobei das Wärmeabführungselement nur in dem zweiten Bereich zu dem Fassungselement in Kontakt steht. Dies hat den Vorteil, dass eine Spannungsentkopplung zwischen dem (radial inneren) ersten Bereich und dem (radial äußeren) zweiten Bereich erfolgen kann, wobei diese Spannungsentkopplung dann nicht durch den im radial äußeren zweiten Bereich befindlichen Kontaktbereich zum Wärmeabführungselement behindert wird. Mit anderen Worten wird in dieser Anordnung eine radial außerhalb des Anbringungsbereichs von Manipulatoren oder Festkörpergelenken befindliche Region zur Befestigung des Wärmeabführungselementes an dem Fassungselement genutzt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Wärmeabführungselement eine Lichtdurchtrittsöffnung auf, deren Fläche nicht mehr als 200%, insbesondere nicht mehr als 120%, weiter insbesondere nicht mehr als 105% der Querschnittsfläche eines im Betrieb des optischen Systems durch das optische Element hindurchtretenden Lichtstrahls beträgt. Mit andern Worten ermöglicht das Wärmeabführungselement vorzugsweise gerade eben den Lichtdurchtritt, ohne einen ungenutzten Zwischenraum von nennenswerter Größe zum Lichtstrahl zu lassen. Auf diese Weise kann eine Wärmeableitung über die (unter Berücksichtigung des Erfordernisses des Lichtdurchtritts verbleibende) größtmögliche Fläche des Wärmeabführungselementes bzw. eine optimale Ausnutzung des Materials des Wärmeabführungselementes erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt eine Wärmeleitung von dem optischen Element und/oder von dem Fassungselement auf das Wärmeabführungselement wenigstens bereichsweise in einer Richtung, welche zumindest nahezu senkrecht zur Oberfläche des optischen Elementes und/oder des Fassungselementes verläuft. Da in dieser Richtung i. d. R. die Querschnittsflächen der optischen Elemente (wie Linsen) bzw. der zugeordneten Fassungselemente relativ groß sind, wird so ebenfalls eine größtmögliche Ausnutzung der Fläche bzw. des Materials des Wärmeabführungselementes zur Wärmeableitung erzielt. Zusätzlich können Fassungselement und Wärmeabführungselement ineinander verzahnt sein, um die zum Wärmeübergang beitragende Gesamtfläche zu vergrößern.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Wärmeabführungselement außerhalb des optisch genutzten Bereichs des optischen Systems angeordnet.
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Gemäß einer Ausführungsform sind wenigstens zwei Wärmeabführungselemente vorgesehen. Diese Wärmeabführungselemente können insbesondere auf einander gegenüberliegenden Seiten eines Fassungselementes angeordnet sein. Eine derartige Anordnung kann besonders wirkungsvoll oder geboten sein, wenn das Fassungselement Wärmebarrieren in Form von Aussparungen oder Schlitzen etwa zum Zwecke der Anbringung von Festkörpergelenken oder Manipulatoren aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Wärmeabführungselement aus einem Material hergestellt, welches eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 50 W/K·m aufweist. Ein geeignetes Material ist insbesondere Aluminium, welches vor allem dann vorteilhaft ist, wenn der Aufbau des optischen Systems ebenfalls aus Aluminiumwerkstoffen erfolgt und somit eine Anpassung der jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie Vermeidung der Einleitung mechanischer Spannungen erzielt werden kann. Auch der Einsatz anderer Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit wie z. B. Kupfer ist möglich.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Wärmeabführungselement zumindest bereichsweise in einem Abstand zu dem optischen Element und/oder dem Fassungselement angeordnet, welcher nicht mehr als 2 mm, insbesondere nicht mehr als 0.5 mm, weiter insbesondere nicht mehr als 0.1 mm beträgt (und insbesondere im Wesentlichen, z. B. bis auf ±10 vorzugsweise ±5%, konstant sein kann).
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Wärmeabführungselement eine zu dem optischen Element und/oder dem Fassungselement korrespondierende Geometrie auf, so dass die erfindungsgemäße Wärmeableitung unter größtmöglicher Ausnutzung bzw. Beteiligung der zur Verfügung stehenden Fläche bzw. des Materials des Wärmeabführungselementes erfolgen kann. Das Wärmeabführungselement kann insbesondere wenigstens bereichsweise in Form einer Platte oder eines Bleches ausgebildet sein. Fassungselement und/oder optisches Element können des Weiteren kontaktlos miteinander verzahnt sein bzw. einander korrespondierende Oberflächen mit aufeinander folgenden, relativen Erhöhungen und Vertiefungen aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Fassungselement zumindest bereichsweise mit einer hochreflektierenden Schicht (HR-Schicht) versehen, um eine zusätzliche Aufheizung des Fassungselementes durch Streulicht zu vermeiden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Wärmeabführungselement zumindest bereichsweise mit einer absorbierenden Schicht (AR-Schicht) versehen, um durch Absorption gezielt Streulicht aufzufangen und die hierdurch erzeugte Wärme ebenfalls in besonders effektiver Weise nach außen abzuführen.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Wärmeabführungselement mit Licht einer Lichtquelle durchstrahlt, wobei die Lichtquelle ein Laser mit einer Energie von wenigstens 300 Watt, insbesondere von wenigstens 800 Watt, weiter insbesondere von wenigstens 1200 Watt, ist.
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Das Fassungselement kann insbesondere einen Schlitz als Wärmebarriere aufweisen. Des Weiteren kann das Fassungselement wenigstens ein Festkörpergelenk oder einen Manipulator aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die optische Anordnung eine optische Anordnung in einer Beleuchtungseinrichtung.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das die erfindungsgemäße Anordnung aufweisende optische System eine Beleuchtungseinrichtung zur Homogenisierung von Laserlicht über den Strahlquerschnitt.
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Die Erfindung ist generell vorteilhaft in Vorrichtungen und Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung einsetzbar, beispielsweise zur Laserkristallisation (z. B. in den in Literatur hinlänglich bekannten ELA-Verfahren, SLS-Verfahren, TDX-Verfahren und ZMR-Verfahren), sowie in Vorrichtungen und Verfahren zur Laserdotierung (d. h. Aktivierung von Dotanden in Halbleitern), zum Laserhärten, zum Laserschneiden, zum Laserschweißen etc.
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Die Erfindung betrifft somit ferner eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung, insbesondere zur Laserkristallisation, wobei die Vorrichtung eine optische Anordnung mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen aufweist.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Aufbaus eines Ausführungsbeispiels der Erfindung;
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2a–b schematische Darstellungen zur Erläuterung weiterer Ausführungsbeispiele der Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungseinrichtung als einem Anwendungsbeispiel der Erfindung; und
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4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Laserkristallisation als beispielhafte Anwendung der Erfindung.
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1 zeigt zunächst eine lediglich schematische und nicht maßstabsgetreue Darstellung zur Erläuterung eines erfindungsgemäßen Aufbaus gemäß einer ersten Ausführungsform.
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In der Anordnung von 1 ist ein optisches Element 101 in Form einer Linse von einem Fassungselement 110 gehalten und wird von einem durch Randstrahlen S1 und S2 begrenzten Lichtstrahl S durchquert, wobei die Lichtausbreitungsrichtung im ebenfalls eingezeichneten Koordinatensystem in z-Richtung verläuft. Die Befestigung des optischen Elementes 101 an dem Fassungselement 110 ist der einfachen Darstellung halber nicht im Detail gezeigt und grundsätzlich in beliebiger bekannter Weise realisierbar. Des Weiteren weist das Fassungselement 110 im Ausführungsbeispiel von 1 eine Mehrzahl von Aussparungen bzw. Schlitzen 111, 112, 113 und 114 auf, welche zur Aufnahme von Spannungsentkopplungselementen und/oder Manipulatorelementen in dem Fassungselement 110 ausgebildet sind und auf die im Weiteren noch näher eingegangen wird.
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Bei dem optischen Element 101 kann es sich je nach Lage im optischen System z. B. um eine (insbesondere zylindrische oder sphärische) Linse, ein anderes transmissives Element wie z. B. ein Prisma oder einen Spiegel handeln.
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In 1 strichpunktiert dargestellt ist eine optische Achse OA des optischen Systems, welche definitionsgemäß entlang der Krümmungsmittelpunkte der rotationssymmetrischen optischen Komponenten verläuft. Um diese in Lichtausbreitungsrichtung bzw. z-Richtung verlaufende optische Achse OA herum ist im Ausführungsbeispiel (z. B. ebenfalls rotationssymmetrisch) eine Kühleinrichtung 150 in Form eines Kühlkörpers angeordnet, welcher eine Mehrzahl von Kühlkanälen 151 aufweist, durch die ein Kühlmedium in einem mittels einer (nicht dargestellten) Pumpe aufrechterhaltenen Kühlkreislauf zirkuliert.
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Die Kühleinrichtung 150 dient zur wenigstens teilweisen Abführung der innerhalb des optischen Systems, insbesondere innerhalb des optischen Elementes 101 infolge des durch das optische System hindurchtretenden (und z. B. an Schichten 102, 103 des optischen Elementes 101 absorbierten) Lichtes, erzeugten Wärme. Darüberhinaus hat die das optische System umgebende Kühleinrichtung 150 weitere Vorteile etwa dahingehend, dass das optische System vor Temperaturschwankungen von außen sowie vor durch die Umgebungsluft übertragenen Schwingungen geschützt wird.
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Das in den Kühlkanälen 151 der Kühleinrichtung 150 strömende Kühlmedium kann flüssig (z. B. Wasser) oder gasförmig sein und weist vorzugsweise eine durch eine externe Kühlung aufrechterhaltene konstante Temperatur (z. B. 22°C) auf, wobei der jeweils geeignete Temperaturunterschied linear abhängig vom Abstand der Kühleinrichtung 150 zu denjenigen Flächen bzw. Bauteilen ist, von denen Wärme wie im Weiteren erläutert abgeführt werden soll.
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Zur Realisierung dieser Wärmeabfuhr ist in dem erfindungsgemäßen optischen System als wesentliches Element der Erfindung wenigstens ein Wärmeabführungselement – im Beispiel von 1 sind es zwei Wärmeabführungselemente 120, 130 – vorgesehen, deren Funktion vor allem darin besteht, die Wärmeleitungsstrecke vom optischen Element 101 zur Kühleinrichtung 150 zumindest weitgehend zu überbrücken, indem die vom optischen Element 101 an das umgebende Gas (Luft oder ein Spülgas wie z. B. Stickstoff) abgegebene Wärme wenigstens teilweise aufgenommen bzw. absorbiert und durch das Material des Wärmeabführungselementes 120, 130 hindurch bis in den an die Kühleinrichtung 150 angrenzenden Bereich weitergeleitet wird.
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Im Ausführungsbeispiel von 1 sind zwei Wärmeabführungselemente 120, 130 vorgesehen, von denen das erste Wärmeabführungselement 120 an seinem radial inneren Abschnitt insofern eine zum optischen Element 101 korrespondierende Form aufweist, als es sich bis auf einen vorzugsweise konstanten Abstand von ebenfalls vorzugsweise maximal 2 mm an das optische Element 101 gewissermaßen anschmiegt, so dass die Wärme in diesem Bereich über die verbleibenden Spalte 140a, 140b und unter größtmöglicher Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Fläche bzw. dem Material des Wärmeabführungselementes 120 effektiv durch Wärmeleitung von dem optischen Element 101 auf das Wärmeabführungselement 120 übertragen werden kann.
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In seinem radial äußeren Abschnitt weist das Wärmeabführungselement 120 ebenfalls eine konstante, relativ zum radial inneren Abschnitt größere Dicke auf und erstreckt sich in diesem Bereich in einem Spaltabstand von vorzugsweise ebenfalls maximal 2 mm entlang des Fassungselementes 110 radial nach außen. In diesem Bereich kann somit ein Wärmeübertrag von dem Fassungselement 110 auf das Wärmeabführungselement 120 über das im Spalt 140c befindliche Spülgas, beispielsweise Stickstoff oder auch Luft, durch Wärmeleitung in z-Richtung erfolgen und diese Wärme dann durch das Material des Wärmeabführungselementes 120 in Richtung radial nach außen zur Kühleinrichtung 150 hin abgeleitet werden.
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Gemäß 1 ist ferner ein zweites Wärmeabführungselement 130 auf der dem optischen Element 101 bzw. dem ersten Wärmeabführungselement 120 entgegengesetzten Seite des Fassungselementes 110 angeordnet und erstreckt sich in vorzugsweise ebenfalls konstantem Spaltabstand von wiederum vorzugsweise maximal 2 mm entlang dem Fassungselement 110 radial nach außen, so dass im Fassungselement 110 entstandene Wärme zunächst über das im Spalt 140d vorhandene Gas (z. B. Luft oder Stickstoff) in Richtung entlang der z-Achse und dann radial nach außen hin zur Kühleinrichtung 150 durch Wärmeleitung übertragen werden kann.
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Die Wärmeabführungselemente 120, 130 sind aus einem Material mit vergleichsweise hoher spezifischer Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise wenigstens 50 W/K·m hergestellt. Ein insbesondere geeignetes Material ist Aluminium, was vor allem dann vorteilhaft ist, wenn der Aufbau des optischen Systems ebenfalls aus Aluminiumwerkstoffen erfolgt und somit eine Anpassung der jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten sowie Vermeidung der Einleitung mechanischer Spannungen erzielt werden kann.
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Die Kühleinrichtung 150 ist gemäß 1 seinerseits mit einem (vorzugsweise konstanten) Abstand von nicht mehr als 5 mm, vorzugsweise im Bereich von 0.5 mm bis 1 mm, vom radialen äußeren Ende des ersten bzw. zweiten Wärmeabführungselementes 120, 130 bzw. des Fassungselementes 110 angeordnet.
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Durch die Einhaltung eines endlichen Abstandes bzw. Vermeidung eines direkten Kontaktes zu den optischen Elementen bzw. Fassungselementen des optischen Systems wird eine direkte bzw. ungedämpfte Übertragung mechanischer Schwingungen aus der in der Kühleinrichtung 150 vorhandenen Kühlflüssigkeitsströmung auf das optische System vermieden. Zum anderen werden durch Realisierung eines zumindest im Wesentlichen gleichmäßigen Abstandes (z. B. bis auf Abstandsschwankungen von ±10%, vorzugsweise ±5%) zu dem Wärmeabführungselement 120 bzw. 130 eine ungleichmäßige Kühlung und damit einhergehende Spannungseinleitungen in das optische System oder Deformationen der optischen Elemente bzw. Fassungselemente bis hin zu einer Verbiegung des optischen Systems sowie eine damit einhergehende negative Beeinflussung der optischen Eigenschaften verhindert.
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Fassungselement 110 und Wärmeabführungselement(e) 120 bzw. 130 können wie ebenfalls aus 1 ersichtlich wenigstens einen Kontaktbereich 125 aufweisen, so dass über die so erzielte Abdichtung des in den radial innenliegenden Spalten 140a–c befindlichen Gasvolumens eine gasdichte Abdichtung des Systems bzw. des das optische Element 101 mit dem zugeordneten Fassungselement 110 aufnehmenden optischen Moduls gewährleistet ist. Gemäß 1 befindet sich dieser Kontaktbereich 125 bezogen auf die optische Achse OA in radialer Richtung außerhalb der Schlitze 111–114, so dass eine durch diese Schlitze 111–114 z. B. erzielte Spannungsentkopplung nicht durch den Kontaktbereich 125 zum Wärmeabführungselement 120 bzw. 130 behindert wird.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Kühleinrichtung 150 auch in Bezug auf das optische System justierbar ausgestaltet sein, so dass dann die Breite des Spaltes 150a in geeigneter Weise angepasst werden kann.
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Zur Sicherstellung der erfindungsgemäßen Funktion des bzw. der Wärmeabführungselemente(s) 120, 130 ist es neben der vorstehend beschriebenen geringen Abstände von dem jeweiligen optischen Element 101 bzw. dem Fassungselement 110 einerseits und der Kühleinrichtung 150 andererseits von Bedeutung, dass die geometrische Anordnung im optischen System in geeigneter Weise gewählt ist, um etwaige Bereiche erhöhten Wärmewiderstandes zu überbrücken.
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Derartige Bereiche mit erhöhtem Wärmewiderstand werden in 1 insbesondere durch die bereits erwähnten Schlitze 111, 112, 113 und 114 repräsentiert, welche für die Anbringung von Festkörpergelenken bzw. Manipulatoren (z. B. x-y-Manipulatoren) dienen. Da die sich in diesen Schlitzen 111–114 beispielsweise ausbildenden Luftspalte (bzw. Bereiche, die mit Spülgas angefüllt sind) jeweils Widerstände für die Wärmeleitung darstellen, ist es in der Anordnung gemäß 1 besonders vorteilhaft, dass sich das zweite Wärmeabführungselement 130 ebenso wie auch das erste Wärmeabführungselement 120 jeweils in Richtung radial nach innen über den Bereich der jeweiligen Schlitze 111–114 hinaus erstreckt, wodurch eine effektive Wärmeableitung unter zumindest weitgehender Umgehung der Schlitze 111–114 über das erste bzw. zweite Wärmeabführungselement 120, 130 in zur optischen Achse OA radialer Richtung erfolgen kann.
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Eine derartige, zumindest weitgehende Umgehung der Fassungselemente 110 bei der erfindungsgemäßen Wärmeabfuhr hin zur Kühleinrichtung 150 ist nicht nur bei Vorhandensein der vorstehend beschriebenen Schlitze 111–114 geboten bzw. vorteilhaft, sondern auch in Situationen, in denen das Fassungselement 110 selbst aus einem Material mit vergleichsweise geringem Wärmeleitungskoeffizienten (beispielsweise aus Stahl zur Erzielung einer großen Steifigkeit bzw. hohen Eigenfrequenz oder aus Invar zur Gewährleistung einer hinreichenden Positionsstabilität) hergestellt ist.
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Des Weiteren können Bereiche erhöhten Wärmewiderstandes auch insoweit vorhanden sein, als die Halterung des optischen Elementes 101 an dem Fassungselement 110 oftmals nicht – wie in 1 vereinfacht dargestellt- relativ großflächig sondern über (typischerweise drei) vergleichsweise kleine Auflagepunkte erfolgt. Die in diesem Bereich hierdurch geschaffenen zusätzlichen Wärmebarrieren können durch die erfindungsgemäße Wärmeabführung ebenfalls in vorteilhafter Weise überbrückt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Fassungselement 110 wenigstens bereichsweise stark reflektierend ausgebildet (z. B. durch Aufbringung einer HR-Schicht), um eine zusätzliche Aufheizung des Fassungselementes durch Streulicht zu vermeiden. Des Weiteren können zusätzlich oder alternativ das bzw. die Wärmeabführungselement(e) ganz oder teilweise mit einer absorbierenden Beschichtung (AR-Schicht) versehen sein, um in diesen Bereichen mittels hoher Absorption gezielt Streulicht aufzufangen und die hierdurch erzeugte Wärme ebenfalls über das jeweilige Wärmeabführungselement 120, 130 in besonders effektiver Weise zur Kühleinrichtung 150 abzuführen.
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Gemäß einer weiteren (nicht dargestellten) Ausführungsform kann bzw. können ein oder mehrere Wärmeabführungselement(e) in ein benachbartes Fassungselement integriert sein.
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2a zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, wobei im Vergleich zu 1 vergleichbare bzw. wirkungsgleiche Elemente mit um „100” erhöhten Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Das Ausführungsbeispiel von 2a unterscheidet sich von demjenigen aus 1 insofern, als hier nur ein Wärmeabführungselement 220 vorgesehen ist, wobei außerdem das Fassungselement 210 keine Schlitze bzw. hiermit einhergehende Wärmebarrieren aufweist. Somit kann hier wie vorstehend erläutert auf ein weiteres Wärmeabführungselement optional verzichtet werden. Selbstverständlich ist auch hier die Anordnung eines zweiten Wärmeabführungselementes analog zu 1 möglich und insbesondere – wie vorstehend ausgeführt- etwa bei Herstellung des Fassungselementes 210 aus einem Material mit niedrigem Wärmeleitungskoeffizienten vorteilhaft. Des Weiteren kann das Fassungselement selbst als Wärmeabführungselement ausgebildet sein.
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Wie in 2b anhand einer angedeuteten weiteren Ausführungsform dargestellt ist, können (wenigstens) ein Fassungselement 210' und (wenigstens) ein Wärmeabführungselement 220' auch zur Erhöhung der zur Wärmeableitung beitragenden Flächen ineinander verzahnt sein bzw. einander korrespondierende Oberflächen mit aufeinander folgenden, relativen Erhöhungen und Vertiefungen aufweisen (was gemäß 2b ebenfalls kontaktlos bzw. unter Einhaltung eines Spaltabstandes erfolgt).
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3 zeigt in schematischer Darstellung eine Beleuchtungseinrichtung 300, in welcher die Erfindung realisiert ist.
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Die lediglich vereinfacht dargestellte Beleuchtungseinrichtung 300 dient zur möglichst homogenen Vermischung von Licht einer Laserlichtquelle (in 3 nicht dargestellt) und weist in der (im eingezeichneten Koordinatensystem in z-Richtung verlaufenden) Lichtausbreitungsrichtung aufeinanderfolgend nach einem den Lichteintritt begrenzenden Ring 310 eine erste Linse 320 mit zugeordnetem Fassungselement 321 sowie eine erste Streulichtblende 330 auf. Die Streulichtblende 330 dient zur gezielten Auffangung von Streulicht und weist hierfür eine gut absorbierende Oberflächenbehandlung auf. Des Weiteren ist die Streulichtblende 330 an einer Position angeordnet, wo sie verhältnismäßig weit entfernt ist von den im Strahlengang nächsten Fassungselementen, damit durch Wärmeleitung im Spülgas innerhalb der Beleuchtungseinrichtung 300 möglichst wenig Wärme auf diese Fassungselemente übertragen wird. Die Streulichtblende 330 weist außerdem relativ große Querschnittsflächen auf, so dass vorhandene Wärme schnell zum Außenabschnitt des Systems übertragen wird.
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Auf die erste Streulichtblende 330 folgt im Strahlengang eine zweite Linse 340 mit zugeordnetem Fassungselement 341, sowie eine dritte Linse 350 mit zugeordnetem Fassungselement 353. Benachbart zu der dritten Linse 350 sind erfindungsgemäße Wärmeabführungselemente 351 und 360 angeordnet, welche gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgebildet sein können.
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Im Strahlengang nachfolgend bzw. stromabwärts des Wärmeabführungselementes 360 befindet sich eine vierte Linse 370 mit zugeordnetem Fassungselement 371, denen ein weiteres erfindungsgemäßes Wärmeabführungselement 380 zugeordnet ist, das ebenfalls gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ausgebildet sein kann. Wie aus 3 ersichtlich weist das Fassungselement 371 Aussparungen bzw. Schlitze 371a auf, welche eine Wärmeableitung über das Fassungselement 371 selbst behindernde Wärmebarrieren darstellen, so dass hier das Wärmeabführungselement 380 wie bereits erläutert besonders wirkungsvoll ist.
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Stromabwärts im Strahlengang folgen eine zweite Streulichtblende 390 sowie eine fünfte Linse 395, welche von einem zugeordneten Fassungselement 396 getragen wird.
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Im Anwendungsbeispiel von 3 werden die Wärmeabführungselemente 351, 360 und 380 in unmittelbarer Nähe bzw. benachbart zu den Linsen 350, 370 bzw. den zugeordneten Fassungselementen 353, 371 eingesetzt, damit der Wärmefluss nicht etwa durch dünne Stege von Manipulatoren und die hierdurch gebildeten Wärmebarrieren behindert wird. Vielmehr wird die Wärme über den jeweils zwischen Wärmeabführungselement und Linse bzw. Fassungselement vorhandenen dünnen Luft bzw. Gasspalt in das gut wärmeleitende Material der Wärmeabführungselemente 351, 360 und 380 überführt und dort direkt bzw. auf kurzem Weg an den Außenabschnitt des Systems bzw. die dort befindliche Kühleinrichtung 305 transportiert. Die Beleuchtungseinrichtung 300 ist lediglich vereinfacht dargestellt und kann weitere, insbesondere zur homogenen Lichtdurchmischung beitragende Elemente aufweisen.
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4 zeigt in lediglich schematischer Darstellung als generisches System eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung, insbesondere zur Laserkristallisation oder zum Laserhärten. Die Erfindung ist neben dem Einsatz zur Laserkristallisation (z. B. in den bekannten ELA-Verfahren, SLS-Verfahren, TDX-Verfahren und ZMR-Verfahren) oder zum Laserhärten z. B. auch in Vorrichtungen und Verfahren zur Laserdotierung (d. h. Aktivierung von Dotanden in Halbleitern), zum Laserschneiden oder zum Laserschweißen sowie weiteren Vorrichtungen und Verfahren zur Lasermaterialbearbeitung anwendbar.
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Die Vorrichtung gemäß 4 umfasst zusätzlich zu einer Beleuchtungseinrichtung 420 (welche lediglich angedeutet ist und insbesondere den anhand von 3 beschriebenen Aufbau aufweisen kann) ein Projektionsoptikmodul (POM) 430.
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Gemäß 4 wird ein von einer Laserlichtquelle 410 erzeugter Laserstrahl 405 zunächst über einen Umlenkspiegel 415 umgelenkt und durchquert die Beleuchtungseinrichtung 420, in welcher der Laserstrahl 405 ohne wesentliche Veränderung seines Querschnittes homogen durchmischt wird. Das Projektionsoptikmodul 430 weist eine Mehrzahl von Spiegeln auf (von denen in 4 lediglich exemplarisch zwei Spiegel 431 und 432 angedeutet sind), welche den von der Beleuchtungseinrichtung 420 mit noch nahezu quadratischem Querschnitt eintreffenden Laserstrahl 405 in einen im Wesentlichen linienförmigen Querschnitt umformen. Der so umgeformte Laserstrahl trifft im Anwendungsbeispiel der Laserkristallisation sodann z. B. auf eine Silizium (Si)-Schicht 440 auf einem Substrat 450, bei welchem es sich z. B. um ein zur Herstellung von Halbleiter-Displays dienendes und in elektronischen Geräten unterschiedlicher Art (wie Flachbildschirmfernsehern oder Mobiltelefon-Displays) verwendetes Panel handeln kann. Das Substrat 450 ist zur Laserkristallisation über einen beweglichen Träger 460 quer zur Richtung des Laserstrahls 405 (in Richtung des Doppelpfeils 461) verfahrbar.
