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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Haltevorrichtung für ein optisches Element mit einer ein aufzunehmendes optisches Element umgebenden Grundstruktur und einer Lagereinrichtung, mittels welcher das optische Element an der Grundstruktur abstützbar ist. Die Erfindung betrifft weiter eine Manipulatoreinheit für ein optisches System umfassend eine Haltevorrichtung.
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Beschreibung des verwandten Standes der Technik
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Haltevorrichtungen für optische Elemente werden in optischen Systemen eingesetzt, wobei eine für die Lagerung geforderte Präzision von einem jeweiligen Einsatzzweck abhängt.
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Aus der
WO 2007/017013 A2 ist eine Anordnung zur Lagerung eines optischen Bauelements relativ zu einem Träger über wenigstens drei am äußeren Umfangsbereich des optischen Elements angeordnete Anlenkstellen bekannt, wobei das optische Element über die Anlenkstellen in wenigstens einer Richtung durch elastisch federnde Elemente kraftschlüssig gehalten wird. Die elastisch federnden Elemente befinden sich dabei in Lagereinrichtungen, welche das optische Element statisch bestimmt halten.
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Aus der
US 5,220,460 A ist eine justierbare Lagerung für eine Zylinderlinse in einem optischen System, beispielsweise dem optischen System eines Laserdruckers, bekannt. Die Lagerung umfasst ein senkrecht zur optischen Achse (z-Achse) angeordnetes Trägerelement mit einer ebenen Fläche, auf welcher die Zylinderlinse unter Einwirkung einer konstanten Kraft aufliegt. Eine Krümmungsrichtung der Zylinderlinse ist in
US 5,220,460 A als y-Achse bezeichnet, eine parallel einer Axialrichtung der Zylinderlinse verlaufende Achse ist als x-Richtung bezeichnet. Die justierbare Lagerung soll eine Rotationsbewegung um die optische Achse und eine Translationsbewegung in Krümmungsrichtung für eine Justierung ermöglichen. Hierfür ist die Zylinderlinse an zwei in der x-y-Ebene gegenüberliegenden Ecken mittels einer als Gelenk wirkenden Rippe, einem Federelement und zwei Stellschrauben gelagert. Ein Verkippen um die zwei senkrecht zur optischen Achse verlaufenden Achsen soll dagegen durch die ebene Fläche, auf welcher die Zylinderlinse aufliegt, für Anwendung in einem Laserdrucker ausreichend sichergestellt sein.
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Aus der
US 2003/0051331 A1 ist eine Positionierungsplattform insbesondere für eine Herstellung optoelektronischer Bauteile bekannt, umfassend eine Verstelleinrichtung, mittels welcher die Plattform in zwei Richtungen translatorisch verstellbar und um eine senkrechte Achse drehbar gelagert ist. Die Verstelleinrichtung umfasst vier Umlenkhebel, wobei an zwei Umlenkhebel, welche an einer gemeinsamen Längsseite der Positionierungsplattform angeordnet sind, Aktuatoren angreifen.
DE 200 12 046 U1 beschreibt eine Vorrichtung zum Justieren einer Fläche eines Justierteils in zwei unabhängig voneinander liegenden Richtungen mit einem ersten Verstellträger, der über Federarme mit einem zweiten Verstellträger verbunden ist, wobei die zu justierende Fläche auf einem der beiden Verstellträger angeordnet ist.
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Aus der
WO 2006/119970 A2 ist eine Anordnung zum Positionieren eines optischen Elements bekannt, wobei die Anordnung mindestens ein elastisches Element umfasst, durch welches das optische Element in zwei Freiheitsgraden oder zwei Richtungen durch Aufbringen einer Kraft verstellbar ist. Die Kraft wird dabei an dem optischen Element selbst oder einer Haltestruktur aufgebracht.
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Optische Elemente werden weiter in Materialbearbeitungsvorrichtungen, beispielsweise in Laser-Temperungsvorrichtungen verwendet. Ein derartiges optisches System ist beispielsweise in
WO 2006/066706 A2 beschrieben. Bei derartigen Vorrichtungen verwendet man einen Laserstrahl, um beispielsweise eine Schicht, insbesondere eine Silizium-Schicht, auf ein Substrat aufzuschmelzen. Der Laserstrahl fällt dabei als sehr schmaler Linienstrahl auf die aufzuschmelzende Schicht. Die Schicht und der Laserstrahl werden relativ zueinander quer zu einer vom Laserstrahl gebildeten Linie verschoben, so dass der Laserstrahl flächig über das Substrat, das sogenannte „Panel” geführt wird.
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Da diese Vorrichtungen das Panel mit einem langen, aber sehr schmalen Feld belichten, kommen Zylinderlinsen, d. h. Linsen mit nur einer Krümmungsrichtung, zum Einsatz.
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Derartige Anwendungen verlangen eine sehr hohe Präzision. Um Verformungen aufgrund von Erwärmungen des Systems zu verhindern oder zumindest gering zu halten, ist es bekannt, Werkstoffe mit einem geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, beispielsweise Invar, zu verwenden. Derartige Werkstoffe sind jedoch sehr teuer.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Haltevorrichtung für ein optisches Element zu schaffen, durch welche eine ungewünschte Verschiebung und/oder Verdrehung oder Dezentrierung des optischen Elements insbesondere aufgrund einer Erwärmung verhindert oder zumindest verringert wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Haltevorrichtung gemäß Anspruch 1 und eine Manipulatoreinheit gemäß Anspruch 13. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung sind bei einer Haltevorrichtung für ein optisches Element mit einer ein aufzunehmendes optisches Element umgebenden Grundstruktur und einer Lagereinrichtung, mittels welcher das optische Element an der Grundstruktur mit zwei Freiheitsgraden für eine Rotationsbewegung um eine optische Achse und eine Translationsbewegung entlang einer zu der optischen Achse senkrecht verlaufenden, die optische Achse in einem Zentrum schneidenden, ersten Achse abstützbar ist, wobei die Lagereinrichtung vier punktsymmetrisch bezüglich dem Zentrum angeordnete Gelenkstellen aufweist und wobei die Gelenkstellen jeweils einen über ein Drehgelenk mit der Grundstruktur um eine parallel zur optischen Achse verlaufende Achse drehbar verbundenen Umlenkhebel umfassen, zwei Parallelschwingen vorgesehen, die jeweils parallel zur ersten Achse verschieblich an der Grundstruktur angeordnet sind und an welchen jeweils zwei Umlenkhebel angelenkt sind, wobei eine Bewegung der Parallelschwingen in entgegengesetzte Richtungen eine Rotationsbewegung des optischen Elements um die optische Achse bewirkt.
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Durch die punktsymmetrische Anordnung der Gelenkstellen wird erreicht, dass das aufgenommene optische Element bei einer Ausdehnung aufgrund einer Erwärmung nicht dezentriert wird. Die Freiheitsgrade der Lagereinrichtung gewährleisten, dass eine Justierung möglich ist.
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Die Haltevorrichtung ist insbesondere für Zylinderlinsen vorteilhaft, da Zylinderlinsen zwei äußerst empfindliche Zentrierrichtungen aufweisen. Insbesondere Rotationsverschiebungen um die optische Achse und Translationsverschiebungen parallel zu einer Krümmungsrichtung, d. h. senkrecht zu einer Zylinderachse, haben bei Zylinderlinsen einen starken Einfluss auf die Genauigkeit des zugehörigen optischen Systems.
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Die erfindungsgemäße Haltevorrichtung weist daher entsprechende Freiheitsgrade auf, um eine Justierung in diesen Richtungen zu ermöglichen.
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Die Umlenkhebel sind jeweils um eine parallel zur optischen Achse verlaufende Achse drehbar an der Grundstruktur angelenkt. Beispielsweise erfolgt eine Anlenkung mittels einem einachsigen Drehgelenk oder mittels einem Festkörperkippgelenk.
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Eine Anbindung der Umlenkhebel an die Parallelschwingen erfolgt dabei vorzugsweise derart, dass die zwei Umlenkhebel bei einer Verschiebung der Parallelschwinge eine gleichsinnige Drehung durchführen. Gegensinnige Verdrehungen der Umlenkhebel werden dabei durch die Anbindung an die Parallelschwinge verhindert.
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Vorzugsweise ist eine ein zu lagerndes optisches Element tragende Innenstruktur vorgesehen, an welcher die Lagereinrichtung angreift. Die Innenstruktur ist fest mit dem optischen Element verbunden. In einer Ausgestaltung ist die Innenstruktur plattenförmig gestaltet und weist einen Durchbruch für einen eintreffenden Lichtstrahl auf. Die Innenstruktur ist beispielsweise kreisförmig oder elliptisch gestaltet. Zur Aufnahme von Zylinderlinsen sind weiter im Wesentlichen rechteckförmige Innenstrukturen vorteilhaft. In anderen Ausgestaltungen umfasst die Innenstruktur mehrere Bauteile, welche jeweils partiell das optische Element tragen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind Umlenkhebel mit der Innenstruktur jeweils über mindestens eine Koppelstange verbunden. Die Koppelstange weist an ihren Enden vorzugsweise jeweils ein Drehgelenk oder ein Festkörperkippgelenk auf. In einer anderen Ausgestaltung sind die Umlenkhebel mit der Innenstruktur jeweils über mindestens ein Blattfedergelenk verbunden. Die Koppelstangen oder ein entsprechendes Blattfedergelenk sind jeweils in einer Grundstellung im Wesentlichen senkrecht zu einer Verbindungslinie zwischen der zugehörigen Gelenkstelle und dem Zentrum angeordnet. In anderen Worten sind die Koppelstangen in der Grundstellung im Wesentlichen tangential zu einem gedachten Umkreis um das Zentrum durch die Gelenkstellen angeordnet. Bei der Ausdehnung ist es daher möglich, dass die Koppelstangen in Radialrichtung des gedachten Umkreises nachgeben und so die Ausdehnung aufgrund der Erwärmung ohne Dezentrierung ausgleichen.
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Die Parallelschwinge ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung über zwei Koppelstangen, die vorzugsweise jeweils an ihren beiden Enden ein Drehgelenk oder ein Kippgelenk aufweisen, mit der Grundstruktur verbunden. Die Parallelschwinge bildet dabei mit den Koppelstangen und der Grundstruktur in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse ein Parallelogramm, so dass auf einfache Weise eine lineare Verschiebbarkeit der Parallelschwinge realisiert ist. Eine Anbindung des oder der Umlenkhebel an die zugehörige Parallelschwinge erfolgt vorzugsweise über eine Koppelstange. Insbesondere sind für eine gute Bewegungs- oder Verschiebungseinleitung zumindest in einer Grundstellung parallel zu den Parallelschwingen angeordnete Koppelstangen vorteilhaft.
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Die Lagereinrichtung ist vorzugsweise spiegelsymmetrisch zu der ersten Achse und/oder einer zweiten, senkrecht zu der ersten Achse und der optischen Achse verlaufenden Achse ausgebildet. Durch gleiche oder zumindest wirkungsgleiche Bauteile wird dabei eine einfache Kompensation einer Ausdehnung der Innenstruktur und/oder des optischen Elements aufgrund einer Erwärmung erzielt.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist mindestens eine an einer der zwei Parallelschwingen angreifende Verstelleinheit vorgesehen. Vorzugsweise sind mindestens zwei Verstelleinheiten vorgesehen, welche jeweils an einer Parallelschwinge angreifen. In anderen Ausgestaltungen greifen an jeder Parallelschwingen zwei Verstelleinheiten für eine Verschiebung in eine positive und eine negative Richtung an. Für eine Justierung des optischen Elements ist es möglich, mittels der Verstelleinheiten die zwei Parallelschwingen in die gleiche Richtung oder in entgegengesetzte Richtungen zu verschieben. Je nach Art des Stelleingriffs wird dabei eine Ausrichtung des optischen Elements entsprechend justiert. Als Verstelleinheiten sind im Zusammenhang mit der Erfindung beliebige manuell-, kraft- und/oder motorischbetätigbare Stellmittel einsetzbar, einschließlich Stellschrauben, pneumatisch und/oder hydraulisch betätigbare Kolben, elektromotorische Stellantriebe und/oder dergleichen. Mittels der Verstelleinheiten werden die optischen Elemente auch in einer statisch bestimmten Ausrichtung gehalten.
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Die Aufgabe wird weiter gelöst durch eine Manipulatoreinheit mit einer erfindungsgemäßen Haltevorrichtung. Eine derartige Manipulatoreinheit ist beispielsweise vorteilhaft in einem System gemäß
WO 2006/066706 A2 einsetzbar.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Manipulatoreinheit ohne Verschiebungen oder Verdrehungen des optischen Elements;
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2 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Manipulatoreinheit gemäß 1 bei einer Verschiebung des optischen Elements entlang einer x-Achse;
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3 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Manipulatoreinheit gemäß 1 bei einer Verdrehung des optischen Elements um eine z-Achse;
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4 zeigt eine schematische Draufsicht auf die Manipulatoreinheit gemäß 1 bei einer Verformung des optischen Elements aufgrund einer Erwärmung und
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5 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Manipulatoreinheit ähnlich 1.
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1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Manipulatoreinheit 1 für ein optisches Element 10. Bei dem optischen Element 10 handelt es sich beispielsweise um eine Zylinderlinse.
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In 1 ist ein kartesisches Koordinatensystem mit dem Zentrum 0 und den Koordinaten x, y und z dargestellt. Eine Lichtrichtung oder optische Achse wird dabei als z-Achse bezeichnet. Eine Krümmungsrichtung der Zylinderlinse wird als x-Achse bezeichnet und eine parallel zu der Axialrichtung der Zylinderlinse (Zylinderachse) verlaufende Achse als y-Achse.
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Eine Zylinderlinse weist vor allem zwei empfindliche Zentrierrichtungen auf, nämlich eine Rotationsbewegung um die optische Achse, d. h. die senkrecht zur Blattrichtung verlaufende z-Achse, und eine Verschiebung entlang einer Krümmungsichtung, d. h. der x-Achse.
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Die dargestellte Manipulatoreinheit 1 umfasst eine Haltevorrichtung mit einer Außen- oder Grundstruktur 3 und einer Lagereinrichtung 4, durch welche das optische Element 10 an der Grundstruktur 3 abgestützt ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das optische Element 10 auf einer Innenstruktur 2 angeordnet, wobei die Lagereinrichtung 4 die Innenstruktur 2 mit der Grundstruktur verbindet. Die Lagereinrichtung 4 umfasst vier punktsymmetrisch zu dem Zentrum 0 des kartesischen Koordinatensystems angeordnete Gelenkstellen 4a, 4b, 4c, 4d. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Innenstruktur 2 in der Draufsicht rechteckförmig ausgebildet, wobei die Gelenkstellen 4a bis 4d an den vier Ecken der Innenstruktur 2 angreifen. Die Lagereinrichtung 4 ist außerdem spiegelsymmetrisch zur x-Achse und zur y-Achse.
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Die Lagereinrichtung 4 umfasst weiter zwei Parallelschwingen 51, 52, welche parallel zur x-Achse verschieblich an der Grundstruktur 3 angeordnet sind. Eine Anbindung der Parallelschwingen 51, 52 an die Grundstruktur 3 erfolgt dabei mittels Kopplungsstangen 511, 512, 521, 522, wobei jeweils zwei Kopplungsstangen 511, 521 bzw. 512, 522 für die zwei Parallelschwingen 51 bzw. 52 vorgesehen sind. Die Kopplungsstangen 511, 521 bzw. 512, 522 bilden mit der jeweils zugehörigen Parallelschwinge 51 bzw. 52 ein Parallelogramm.
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An den Parallelschwingen 51, 52 greift jeweils eine Verstelleinheit 61 bzw. 62 an, durch welche die Parallelschwingen 51, 52 parallel zur x-Achse verschieblich sind. Die zwei Parallelschwingen 51, 52 sind spiegelsymmetrisch zu der x-Achse angeordnet.
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Die Gelenkstellen 4a, 4b, 4c, 4d umfassen jeweils einen über ein Drehgelenk 401, 402, 403, 404 mit der Grundstruktur 3 verbundenen Umlenkhebel 41, 42, 43, 44, welcher an der zugehörigen Parallelschwinge 51, 52 und an der Innenstruktur 2 angelenkt ist. Eine Anbindung der Umlenkhebel 41 bis 44 an die Parallelschwingen 51, 52 und an die Innenstruktur 2 erfolgt dabei mittels Kopplungsstangen 411, 412, 413, 414, 421, 422, 423, 424. Eine Anbindung der Umlenkhebel 41 bis 44 an die Parallelschwingen 51, 52 ist dabei so gewählt, dass zwei einer Parallelschwinge 51 bzw. 52 zugeordnete Umlenkhebel 41, 42 bzw. 43, 44 bei einer Verschiebung der Parallelschwinge 51 bzw. 52 parallel zur x-Achse eine gleichsinnige Drehung durchführen. Gegensinnige Verdrehungen der an einer Parallelschwinge 51 bzw. 52 angebrachten Umlenkhebel 41, 42 bzw. 43, 44 werden dagegen durch die Anbindung an die Parallelschwinge 51 bzw. 52 verhindert. Durch die Umlenkhebel 41, 42, 43, 44 wird eine Bewegung der Parallelschwingen 51, 52 auf die Innenstruktur 2 übertragen. Die Koppelstangen 421, 422, 423, 424 zwischen den Parallelschwingen und den Umlenkhebel 41, 42, 43, 44 sind in einer dargestellten Grundstellung jeweils im Wesentlichen parallel zu den Parallelschwingen 51, 52 angeordnet.
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2 zeigt schematisch eine Verschiebung der Innenstruktur 2 mit dem optischen Element 10 in eine x-Richtung. Zu diesem Zweck werden die Verstelleinheiten 61, 62 derart angetrieben, dass die Parallelschwingen 51, 52 in negativer X-Richtung, wie durch Pfeile dargestellt, verschoben werden. Die mit der Parallelschwinge 51 verbundenen Umlenkhebel 41, 42 liegen in positiver y-Richtung betrachtet, unterhalb der Parallelschwinge 51. Aufgrund der Verschiebung der Parallelschwingen 51, 52 in die negative x-Richtung werden die der Parallelschwinge 51 zugeordneten Umlenkhebel 41, 42 entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt. Die der zweiten Parallelschwinge 52 zugeordneten Umlenkhebel 43, 44 liegen dagegen in positiver y-Richtung betrachtet oberhalb der Parallelschwinge 52 und werden aufgrund der Verschiebung der Parallelschwinge in die negative x-Richtung im Uhrzeigersinn verschwenkt. Das Verschwenken der Umlenkhebel 41 bis 44 bewirkt, dass die Innenstruktur 2 mit dem optischen Element 10 gegenüber der Grundstruktur 3 in positiver x-Richtung verschoben wird.
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3 zeigt schematisch einen Antrieb der Verstelleinheiten 61, 62 um eine Rotationsbewegung der Innenstruktur 2 und damit des optischen Elements 10 um die z-Achse zu bewirken. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht eine positive Rotationsbewegung um die z-Achse eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn. Um eine derartige Rotationsbewegung zu bewirken, wird die Verstelleinheit 61, welche der in positiver y-Richtung angeordneten Parallelschwingen 51 zugeordnet ist (in 3 oben dargestellt), derart betrieben, dass die zugehörige Parallelschwinge 51 in positiver x-Richtung verschoben wird. Die zweite Verstelleinheit 62 wird dagegen derart betrieben, dass die zugehörige Parallelschwinge 52 in negativer x-Richtung verschoben wird. Die Verschiebung der Parallelschwingen 51, 52 in zwei unterschiedliche Richtungen bewirkt, dass alle Umlenkhebel 41, 42, 43, 44 in eine Rotationsbewegung mit einem gleichen Drehsinn versetzt werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden alle Umlenkhebel 41 bis 44 durch die dargestellte Bewegung der Parallelschwingen 51, 52 in eine Rotationsbewegung im Uhrzeigersinn versetzt. Die Übertragung der Rotationsbewegungen der Umlenkhebel 41 bis 44 auf die Innenstruktur 2 bewirkt, dass die Innenstruktur 2, wie dargestellt, durch eine positive Rotationsbewegung um die z-Achse justiert wird.
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Bei Verwendung des optischen Elements 10 in einer Anlage zur Umkristallisation für ein Silizium-Panel treten sehr hohe Lichtleistungen an dem optischen Element 10 auf. Die optischen Elemente 10 können daher aufgrund der hohen Lichtleistungen erwärmt werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Koppeleinheiten 4a bis 4d punktsymmetrisch zu dem Zentrum 0 angeordnet, um bei einer punktsymmetrischen Ausdehnung des optischen Elements 10 aufgrund einer Erwärmung eine Dezentrierung zu vermeiden.
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4 zeigt schematisch eine radiale Ausdehnung des optischen Elements 10 und der damit verbundenen Innenstruktur 2 aufgrund einer Erwärmung. Die radiale Ausdehnung hat zur Folge, dass die zwischen der Innenstruktur 2 und den Umlenkhebel 41 bis 44 angeordneten Koppelstangen 411, 412, 413 und 414 eine Ausgleichs-Schwenkbewegung durchführen und so eine zentrische Ausdehnung der Innenstruktur 2 ohne Dezentrierung des optischen Elements 10 ausgleichen. Die Koppelstangen 411, 412, 413, 414 sind im Wesentlichen tangential zu einem gedachten Umkreis um das Zentrum 0 angeordnet. Die jeweils einer gemeinsamen Parallelschwinge 51, 52 zugeordneten Koppelstangen 411, 412 sind dabei so angeordnet, dass aufgrund der Ausdehnung die Koppelstangen 411, 412 in entgegen gesetzten Richtungen verschwenkt werden. Eventuell aufgrund der Verschwenkung der Koppelstangen 411, 412 an der Parallelschwinge einwirkende Kräfte heben sich dabei gegenseitig auf. Bei der Ausdehnung ist es daher möglich, dass die Koppelstangen 411, 412, 413, 414 wie dargestellt in Radialrichtung des gedachten Umkreises nachgeben und so die Ausdehnung aufgrund der Erwärmung ohne Dezentrierung des optischen Elements 10 ausgleichen.
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5 zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel eines Manipulators 1 gemäß der Erfindung. Die Manipulatoreinheit 1 gemäß 5 entspricht im Wesentlichen der Manipulatoreinheit 1 gemäß den 1 bis 4. Für gleiche oder ähnliche Bauteile werden einheitliche Bezugszeichen verwendet und auf eine detaillierte Beschreibung dieser Bauteile wird verzichtet. Bei der Ausführungsform gemäß 5 sind Gelenkstellen zwischen den Umlenkhebeln 41 bis 44 und der Innenstruktur 2, der Grundstruktur 3 und den Parallelschwingen 51, 52 jeweils durch Festkörpergelenke, insbesondere durch Festkörperkippgelenke realisiert. Ebenso sind die Koppelstangen 411 bis 414, 421 bis 424, 511, 512, 521, 522 durch Blattfedergelenke ersetzt.
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Eine Manipulatoreinheit 1 gemäß 5 mit Festkörpergelenken ist besonders kleinbauend herstellbar, wobei eine hohe Präzision gewährleistet ist. Anstelle der Blattfedergelenke ist es auch denkbar, Koppelstangen vorzusehen, welche jeweils an ihren Enden Festkörperkippgelenke aufweisen.
