DE102011088735A1

DE102011088735A1 - Anordnung zur Halterung eines optischen Elementes, insbesondere in einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage

Info

Publication number: DE102011088735A1
Application number: DE102011088735A
Authority: DE
Inventors: Michael Erath; Florian Bach; Ulrich SCHÖNHOFF; Rodolfo Rabe; Norbert Mühlberger; Dirk Eicher; Jasper Wesselingh
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2010-12-20
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2012-06-21
Also published as: US9448384B2; JP2014507786A; US20130314681A1; JP6309765B2; WO2012084675A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Halterung eines optischen Elementes, insbesondere in einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage, mit einer Gewichtskraftkompensationseinrichtung (103) zur Ausübung einer Kompensationskraft auf das optische Element (101), wobei diese Kompensationskraft die auf das optische Element (101) wirkende Gewichtskraft wenigstens teilweise kompensiert, wobei die Gewichtskraftkompensationseinrichtung (103) einen Passivmagnetkreis zur Erzeugung einer Kraftkomponente der auf das optische Element (101) wirkenden Kompensationskraft aufweist und wobei wenigstens ein Justageelement (880) vorgesehen ist, mit dem die von dem Passivmagnetkreis erzeugte Kraftkomponente kontinuierlich manipulierbar ist.

Description

Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der Deutschen Patentanmeldungen DE 10 2010 063 566.9 und DE 10 2010 063 577.4 , beide angemeldet am 20. Dezember 2010. Der Inhalt dieser Anmeldungen wird durch Bezugnahme („incorporation by reference”) mit in den vorliegenden Anmeldungstext aufgenommen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Halterung eines optischen Elementes, insbesondere in einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage.
Stand der Technik
Mikrolithographie wird zur Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente, wie beispielsweise integrierter Schaltkreise oder LCD's, angewendet. Der Mikrolithographieprozess wird in einer sogenannten Projektionsbelichtungsanlage durchgeführt, welche eine Beleuchtungseinrichtung und ein Projektionsobjektiv aufweist. Das Bild einer mittels der Beleuchtungseinrichtung beleuchteten Maske (= Retikel) wird hierbei mittels des Projektionsobjektivs auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist) beschichtetes und in der Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnetes Substrat (z. B. ein Siliziumwafer) projiziert, um die Maskenstruktur auf die lichtempfindliche Beschichtung des Substrats zu übertragen.
In einer für EUV (d. h. für elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge unterhalb von 15 nm) ausgelegten Projektionsbelichtungsanlage werden mangels Vorhandenseins lichtdurchlässiger Materialien Spiegel als optische Komponenten für den Abbildungsprozess verwendet. Diese Spiegel können z. B. auf einem Trägerrahmen befestigt und wenigstens teilweise manipulierbar ausgestaltet sein, um eine Bewegung des jeweiligen Spiegels in sechs Freiheitsgraden (d. h. hinsichtlich Verschiebungen in den drei Raumrichtungen x, y und z sowie hinsichtlich Rotationen R_x, R_y und R_z um die entsprechenden Achsen) zu ermöglichen. Hierbei können etwa im Betrieb der Projektionsbelichtungsanlage auftretende Änderungen der optischen Eigenschaften z. B. infolge von thermischen Einflüssen kompensiert werden.
Aus WO 2005/026801 A2 ist es u. a. bekannt, in einem Projektionsobjektiv einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage zur Manipulation von optischen Elementen wie Spiegeln in bis zu sechs Freiheitsgraden drei Aktoreinrichtungen einzusetzen, welche jeweils wenigstens zwei Lorentz-Aktoren bzw. zwei aktiv ansteuerbare Bewegungsachsen aufweisen. Diese Lorentz-Aktoren weisen jeweils zwei über einen Spalt getrennte Elemente auf, von denen eines ein Solenoid aufweist, welches zur Veränderung des Gaps mit einem elektrischen Strom beaufschlagbar ist, so dass die beiden Elemente des Lorentz-Aktors, von denen das eine mit dem jeweiligen optischen Element bzw. Spiegel und das andere mit dem Gehäuse des Projektionsobjektives verbunden ist, relativ zueinander bewegt werden können, wobei die beiden Elemente des Lorentz-Aktors infolge des dazwischen befindlichen Gaps mechanisch entkoppelt sind. Des Weiteren ist eine z. B. als Federelement ausgeführte Gewichtskraftkompensationseinrichtung vorgesehen, um den Energieverbrauch der aktiven bzw. steuerbaren Stellelemente zu minimieren, da die Gewichtskompensationseinrichtung im Wesentlichen die Masse des optischen Elements bzw. Spiegels trägt, so dass insoweit kein permanenter Energiefluss mit damit einhergehender Wärmeerzeugung erforderlich ist. Die (auch als „MGC” bezeichnete) Gewichtskompensationseinrichtung ist auf eine gewisse Haltekraft einstellbar, die über ein an den Spiegel mechanisch ankoppelndes mechanisches Element (Pin) auf den Spiegel übertragen wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung weist eine Anordnung zur Halterung eines optischen Elementes, insbesondere in einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage, auf:

– eine Gewichtskraftkompensationseinrichtung zur Ausübung einer Kompensationskraft auf das optische Element, wobei diese Kompensationskraft die auf das optische Element wirkende Gewichtskraft wenigstens teilweise kompensiert;
– wobei die Gewichtskraftkompensationseinrichtung einen Passivmagnetkreis zur Erzeugung einer Kraftkomponente der auf das optische Element wirkenden Kompensationskraft aufweist; und
– wobei wenigstens ein Justageelement vorgesehen ist, mit dem die von dem Passivmagnetkreis erzeugte Kraftkomponente kontinuierlich manipulierbar ist.

Gemäß diesem Aspekt liegt der Erfindung das Konzept zugrunde, über ein Justageelement den Verlauf der von dem Passivmagnetkreis (welcher z. B., wie im Weiteren noch näher erläutert, aus zwei bewegten Innenmagneten und einem ortsfesten Außenmagneten aufgebaut sein kann) erzeugten Magnetfeldlinien und damit die durch den Passivmagnetkreis erzeugte Kraftkomponente kontinuierlich zu manipulieren, um auf diese Weise eine kontinuierliche Einstellbarkeit der insgesamt durch die Gewichtskraftkompensationseinrichtung ausgeübten, resultierenden Kompensationskraft zu realisieren.
Weitere, mittels des erfindungsgemäßen Justageelementes erzielbare Vorteile sind die mögliche Reduzierung eines magnetischen Streufeldes sowie gegebenenfalls auch die Steigerung der Effizienz eines – wie im Folgenden noch näher erläutert ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisierbaren – in die Gewichtskraftkompensationseinrichtung integrierten Aktors (z. B. in Form eines Lorentz-Antriebs).
Gemäß einer Ausführungsform ist das Justageelement zur Manipulation der von dem Passivmagnetkreis erzeugten Kraftkomponente axial in Bezug auf die Richtung der Kompensationskraft verschiebbar.
Das Justageelement kann (ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) beispielsweise aus einem weichmagnetischen Material hergestellt sein. Dabei wird hier und im Folgenden unter einem weichmagnetischen Material ein Werkstoff verstanden, welcher eine Koerzitivfeldstärke von weniger als 1000 A/m besitzt. Hierbei können beliebige weichmagnetische Werkstoffe Verwendung finden, beispielsweise Eisen (Fe), Kobalt (Co) oder Nickel (Ni) oder Legierungen aus den vorstehenden oder anderen geeigneten Materialien.
Gemäß einer Ausführungsform kann das Justageelement wenigstens einen Permanentmagneten aufweisen. In weiteren Ausführungsformen weist das Justageelement wenigstens eine mit einem elektrischen Strom beaufschlagbare Spule auf. Über eine solche stromdurchflossene Spule können ebenfalls die magnetischen Eigenschaften des Passivmagnetkreises manipuliert werden. Mittels einer solchen Spule kann zum einen durch Beaufschlagung der Spule mit einem Gleichstrom ein konstantes, das durch den Passivmagnetkreis erzeugte Magnetfeld überlagerndes Magnetfeld erzeugt werden. Zum anderen kann eine solche Spule dazu genutzt werden, durch vergleichsweise kurzzeitige bzw. impulsartige Beaufschlagung (z. B. mit einer Impulsdauer von weniger als 1 ms) mit einem relativ hohen elektrischen Strom (z. B. größer als 50 A) dauerhaft die magnetischen Eigenschaften (insbesondere die Remanenzmagnetisierung) des Passivmagnetkreises zu verändern, wodurch wiederum die von der Gewichtskraftkompensationseinrichtung insgesamt auf das optische Element ausgeübte Kompensationskraft beeinflusst wird.
Gemäß einer Ausführungsform umgibt das Justageelement die Gewichtskraftkompensationseinrichtung wenigstens teilweise.
Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Geometrie des Justageelements in keiner Weise eingeschränkt. Gemäß einer Ausführungsform kann das Justageelement z. B. eine ringförmige Geometrie aufweisen. Das Justageelement kann jedoch, je nach den konkreten Gegebenheiten, auch eine beliebige andere (rotationssymmetrische oder auch nicht-rotationssymmetrische) Geometrie besitzen. Generell sollen daher sämtliche Ausführungen als von der vorliegenden Erfindung umfasst gelten, bei denen die vom Passivmagnetkreis ausgeübte Kraft über wenigstens ein Justageelement kontinuierlich manipulierbar ist, wobei das betreffende Justageelement in Form beliebiger hierzu geeigneter Bauteilformen, z. B. platten-, achs- oder auch schraubenförmig ausgestaltet sein kann. Hierbei kann insbesondere auch eine nur teilweise Überdeckung des Passivmagnetkreises durch das Justageelement erfolgen.
Mittels gezielter Ausgestaltung (z. B. asymmetrischer Anordnung, Positionierung und Dimensionierung) des Justageelements können die magnetischen Eigenschaften des Passivmagnetkreises gezielt beeinflusst werden, beispielsweise um etwaige parasitäre Effekte wie z. B. unerwünschte Magnetkreiseffekte aufgrund von mechanischen Toleranzen und auftretenden Querkräften sowie Massevariationen eines optischen Elements, dessen Gewichtskraft zu kompensieren ist, und/oder unerwünschte thermische Einflüsse wenigstens teilweise (z. B. über einen magnetischen Nebenfluss) wenigstens teilweise zu kompensieren.
Des Weiteren lässt sich durch geeignete Ausgestaltung des (z. B. weichmagnetischen) Justageelements eine Linearisierung der sogenannten Einstellkennlinie (welche die Abhängigkeit der von der Gewichtskraftkompensationseinrichtung ausgeübten Kraft von der Position des Justageelements beschreibt) sowie eine Reduzierung der „Steifigkeit” der Gewichtskraftkompensationseinrichtung bzw. eine reduzierte Kraftvarianz erreichen.
Das Justageelement kann (ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) beispielsweise eine Komponente der Gewichtskraftkompensationseinrichtung sein. In weiteren Ausführungsformen kann das Justageelement auch in ein die Gewichtskraftkompensationseinrichtung umgebendes Gehäuse integriert sein. Das Justageelement kann insbesondere auch in einen in einem EUV-Projektionsobjektiv vorhandenen Tragrahmen („force frame”) integriert sein. Derartige Ausgestaltungen haben den Vorteil einer vergleichsweise einfachen Zugänglichkeit des Justageelements etwa zur Positionierung oder zur Wärmeabfuhr.
Die Einstellung bzw. Positionierung des Justageelements kann manuell oder gegebenenfalls auch über einen (vorzugsweise selbsthemmenden) motorisierten Betrieb erfolgen, bei welchem die Position des Justageelements über einen geeigneten Positionsaktor eingestellt wird.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Anordnung ferner eine Regelungsvorrichtung auf, über welche die Position des Justageelements in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Anordnung regelbar ist. Dabei kann beispielsweise eine temperatur- und/oder alterungsbedingte Änderung der durch die Gewichtskraftkompensationseinrichtung auf das optische Element bewirkten Kompensationskraft im Vergleich zu einer analogen Anordnung ohne die Regelungsvorrichtung reduziert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung eine Anordnung zur Halterung eines optischen Elementes, insbesondere in einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage, mit

– einer Gewichtskraftkompensationseinrichtung zur Ausübung einer Kompensationskraft auf das optische Element, wobei diese Kompensationskraft die auf das optische Element wirkende Gewichtskraft wenigstens teilweise kompensiert; und
– wenigstens zwei Aktoren, welche jeweils eine steuerbare Kraft auf das optische Element ausüben;
– wobei wenigstens einer der Aktoren die steuerbare Kraft auf das optische Element in der Richtung der Kompensationskraft erzeugt.

Diesem Aspekt liegt insbesondere das Konzept zugrunde, im Unterschied zum eingangs erläuterten Aufbau in Richtung der auf das optische Element ausgeübten Kompensationskraft zusätzlich auch eine aktiv steuerbare Kraft auf das optische Element auszuüben, mit anderen Worten also die Achse, entlang derer die Kompensationskraft zur Kompensation des auf das optische Element wirkenden Gewichtskraft erzeugt wird, als aktiv ansteuerbare Bewegungsachse des optischen Elementes zu realisieren.
Dadurch, dass einer der Aktoren die steuerbare Kraft auf das optische Element in der Richtung der Kompensationskraft erzeugt, kann zunächst eine signifikante Reduzierung des erforderlichen Bauraumes erzielt werden.
Gemäß der Offenbarung kann die Gewichtskompensationseinrichtung insbesondere selbst als Aktor ausgebildet sein. In diesem Falle ist die Gewichtskompensationseinrichtung also nicht mehr nur passiv zur Erzeugung einer einmal eingestellten und dann im Wesentlichen konstant aufrechterhaltenen Kompensationskraft ausgelegt, sondern nimmt insofern eine Doppelfunktion wahr, als sie zum einen weiterhin die Gewichtskompensation gewährleistet und zum anderen in der Lage ist, eine steuerbare (Aktiv-)Kraft zu erzeugen. Dabei kann insbesondere einer der beiden herkömmlicherweise vorgesehenen Lorentz-Aktoren (auch als „Voice-Coil-Motor” oder „VCM” bezeichnet) in die Gewichtskompensationseinrichtung integriert sein.
Die Offenbarung ist hierbei nicht auf die unmittelbare Integrierung eines Lorentz-Aktors in die Gewichtskompensationseinrichtung beschränkt. In weiteren Ausführungsformen ist es auch möglich, den Lorentz-Aktor und die Gewichtskompensationseinrichtung als separate Funktionseinheiten auszugestalten, indem etwa der in Richtung der Kompensationskraft wirkende Lorentz-Aktor separat von bzw. außerhalb der Gewichtskompensationseinrichtung angeordnet ist, gleichwohl jedoch seine Antriebskraft in der gleichen Kraftrichtung erzeugt, in welcher auch die von der Gewichtskompensationseinrichtung erzeugte Kompensationskraft wirkt.
Gemäß einer Ausführungsform ist zur Erzeugung der entgegengesetzt zur Gewichtskraft wirkenden Kraft ein Passivmagnetkreis vorgesehen. Dies hat den Vorteil, dass seitens des aktiven Anteils eine vergleichsweise niedrige Aktuationskraft erforderlich ist und somit die mit den erzeugten Kraftänderungen einhergehenden Parasitäreffekte sowie thermischen Lasten gering gehalten werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist auch möglich, unter gänzlichem Verzicht auf einen Passivmagnetkreis (wie er in der eingangs erläuterten, herkömmlichen Gewichtskompensationseinrichtung enthalten ist) zur Erzeugung einer entgegengesetzt zur Gewichtskraft wirkenden Kraft nur einen einzigen, hinreichend stark ausgelegten Lorentz-Aktor zu verwenden, der in der Lage ist, neben der Erzeugung einer steuerbaren Kraft auf den Spiegel zugleich die zur Kompensation des Spiegelgewichtes notwendige Kraft zu erzeugen und somit zugleich die Funktion der Gewichtskompensationseinrichtung wahrnimmt.
Gemäß einer Ausführungsform weist der in Richtung der Kompensationskraft wirkende Aktor bzw. die Gewichtskraftkompensationseinrichtung wenigstens eine mit einem elektrischen Strom beaufschlagbare Spule zur Erzeugung einer über wenigstens ein bewegliches Aktorelement auf das optische Element übertragenen steuerbaren magnetischen Kraft auf.
Die Spulen können insbesondere im feststehenden Teil des in Richtung der Kompensationskraft wirkenden Aktors angeordnet sein. Dies hat zum einen den Vorteil, dass von den Spulen ausgehende thermische Lasten einfach nach außen abgeführt werden können, und dass keine Kabelzuführungen zum beweglichen Teil realisiert werden müssen. Die Offenbarung ist jedoch hierauf nicht beschränkt. Vielmehr können die Spulen in einer weiteren Ausführungsform auch im bewegten Teil des in Richtung der Kompensationskraft wirkenden Aktors angeordnet sein. Mittels einer solchen Ausgestaltung kann die in dem bewegten Teil vorhandene Masse reduziert werden, da die Spulen typischerweise leichter als die die jeweils andere Aktorkomponente bildenden Magnete sind.
Gemäß einer Ausführungsform wird die bewegliche Aktorkomponente, d. h. der bzw. die durch die stromdurchflossenen Spulen des Aktors mit der Lorentzkraft beaufschlagten Magnet(e), durch bereits im Passivmagnetkreis (ohnehin) vorhandene Magnete bereitgestellt. Infolgedessen werden über den Passivmagnetkreis hinaus keine zusätzlichen Permanentmagnete zum Aufbau des Aktors benötigt, was insbesondere zu einer größeren Kompaktheit des Systems führt.
Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element ein Spiegel.
Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen wenigstens einem der Aktoren und dem optischen Element eine mechanische Kopplung in solcher Weise ausgebildet, dass bezogen auf die Antriebsachse dieses Aktors das Verhältnis der Steifigkeit dieser mechanischen Kopplung in axialer Richtung zur Steifigkeit in lateraler Richtung wenigstens 100 beträgt.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt für diese mechanische Kopplung die Eigenfrequenz in axialer Richtung wenigstens das 3-fache der Bandbreite der Regelung.
Gemäß einer Ausführungsform liegt für diese mechanische Kopplung die Eigenfrequenz in axialer Richtung im Bereich von 600 Hz bis 1.800 Hz, insbesondere im Bereich von 800 Hz bis 1.400 Hz, weiter insbesondere im Bereich von 1.000 Hz bis 1.200 Hz.
Die Realisierung der vorstehenden Eigenfrequenzen sowie die hiermit erzielbare Tiefpassfilterung bei der mechanischen Kopplung ist nicht auf das zuvor beschriebene Konzept (d. h. die Erzeugung der steuerbaren Kraft durch wenigstens einen Aktor in Richtung einer durch eine Gewichtskraftkompensationseinrichtung ausgeübten Kompensationskraft) oder überhaupt auf das Vorhandensein einer Gewichtskraftkompensationseinrichtung beschränkt, sondern auch unabhängig hiervon vorteilhaft.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung daher auch eine Anordnung zur Halterung eines optischen Elementes, insbesondere in einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage, mit

– wenigstens zwei Aktoren, welche jeweils eine steuerbare Kraft auf das optische Element ausüben;
– wobei zwischen wenigstens einem der Aktoren und dem optischen Element eine mechanische Kopplung in solcher Weise ausgebildet ist, dass bezogen auf die Antriebsachse dieses Aktors das Verhältnis der Steifigkeit dieser mechanischen Kopplung in axialer Richtung zur Steifigkeit in lateraler Richtung wenigstens 100 beträgt.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Offenbarung auch eine Anordnung zur Halterung eines optischen Elementes, insbesondere in einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage, mit:

– wenigstens zwei Aktoren, welche jeweils eine steuerbare Kraft auf das optische Element ausüben;
– wobei für diese mechanische Kopplung die Eigenfrequenz in axialer Richtung im Bereich von 600 Hz bis 1.800 Hz, insbesondere im Bereich von 800 Hz bis 1.400 Hz, weiter insbesondere im Bereich von 1.000 Hz bis 1.200 Hz, liegt.

Gemäß einer Ausführungsform weist die mechanische Kopplung einen mit zwei Kreuzgelenken versehenen Pin auf. Unter einem Kreuzgelenk ist hierbei im Sinne der vorliegenden Anmeldung ein Gelenk zu verstehen, welches zwei Kippgelenke mit orthogonaler Ausrichtung der Kippachsen zueinander (bzw. bezogen auf den Kraftfluss in Serie geschaltete Kippgelenke) aufweist, die vorzugsweise einen gemeinsamem Drehpunkt aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Pin ein erstes Teilelement, in welchem eines der beiden Kreuzgelenke ausgebildet ist, sowie ein mit dem ersten Teilelement lösbar verbundenes zweites Teilelement auf, in welchem das andere der beiden Kreuzgelenke ausgebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird durch die Erfindung eine Anordnung zur Halterung eines optischen Elementes in einem optischen System, insbesondere in einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage bereitgestellt, mit

– einer Gewichtskraftkompensationseinrichtung zur Ausübung einer Kompensationskraft auf das optische Element, wobei diese Kompensationskraft die auf das optische Element wirkende Gewichtskraft wenigstens teilweise kompensiert;
– wobei die Gewichtskraftkompensationseinrichtung wenigstens einen relativ zu einem feststehenden Rahmen des optischen Systems beweglichen Magneten und wenigstens einen relativ zu diesem Rahmen feststehenden Magneten aufweist; und
– wobei der wenigstens eine relativ zum Rahmen bewegliche Magnet in einer von der Richtung der Kompensationskraft abweichenden Richtung beweglich gelagert ist.

Gemäß einer Ausführungsform ist die Gewichtskraftkompensationseinrichtung über einen Pin mechanisch an das optische Element angekoppelt.
Gemäß einer Ausführungsform ist der wenigstens eine relativ zum Rahmen bewegliche Magnet in einer zur Längsachse des Pins nichtparallelen Richtung beweglich gelagert.
Gemäß einer Ausführungsform führt eine Auslenkung des Pins in einer von der Richtung der Kompensationskraft abweichenden Richtung zu einer Relativbewegung zwischen dem relativ zum Rahmen beweglichen Magneten und dem relativ zum Rahmen feststehenden Magneten.
Gemäß einer Ausführungsform wird durch diese Relativbewegung ein magnetisches Moment erzeugt, welche eine auf den Pin in einer von der Richtung der Kompensationskraft abweichenden Richtung wirkende Querkraft wenigstens teilweise kompensiert.
Gemäß einer Ausführungsform ist zwischen dem Rahmen und dem relativ zum Rahmen beweglichen Magneten eine mechanische Kopplung vorgesehen, welche sowohl eine axiale Verschiebung des relativ zum Rahmen beweglichen Magneten in Richtung der Gewichtskraft als auch eine Kippung des relativ zum Rahmen beweglichen Magneten um eine zur Richtung der Gewichtskraft senkrechte Drehachse ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform weist diese mechanische Kopplung eine axiale Führung und ein Drehgelenk auf.
Gemäß einer Ausführungsform ist die axiale Führung durch ein Parallelfedersystem aus zwei Blattfedern gebildet.
Gemäß einer Ausführungsform weist diese mechanische Kopplung ein Federelement auf, welches sowohl eine axiale Verschiebung des relativ zum Rahmen beweglichen Magneten in Richtung der Gewichtskraft als auch eine Kippung des relativ zum Rahmen beweglichen Magneten um mindestens eine zur Richtung der Gewichtskraft senkrechte Drehachse ermöglicht.
Gemäß einer Ausführungsform weist die durch dieses Federelement gebildete mechanische Kopplung eine Eigenfrequenz in axialer Richtung im Bereich von 600 Hz bis 1.800 Hz, insbesondere im Bereich von 800 Hz bis 1.400 Hz, weiter insbesondere im Bereich von 1.000 Hz bis 1.200 Hz, auf.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Pin zwei Kreuzgelenke auf.
Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element ein Spiegel.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine Prinzipskizze zur Erläuterung des der Erfindung zugrundeliegenden Konzepts;
2–3 schematische Darstellungen zur Erläuterung einer möglichen Ausführungsform zur Realisierung des Konzeptes von 1;
4 eine Prinzipskizze zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
5–6 schematische Darstellungen möglicher Ausführungsformen von in dem Aufbau von 2 eingesetzten Blattfedern;
7 ein Diagramm, in welchem anhand von Kraft-Weg-Kennlinien die Wirkungsweise der in 5 bzw. 6 gezeigten Blattfedern erläutert wird;
8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer weiteren möglichen Ausführungsform des Aufbaus von 2 unter Verwendung eines Justageelements;
9–10 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Wirkungsweise eines in einer Ausführungsform der Erfindung im Aufbau von 2 eingesetzten hohlen Gelenkes; und
11–14 schematische Darstellungen zur Erläuterung eines weiteren Aspekts der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt zunächst eine Prinzipskizze zur Erläuterung eines der Offenbarung zugrundeliegenden Konzepts.
Wie lediglich schematisch dargestellt ist, wirken auf ein optisches Element wie z. B. einen Spiegel 101 sowohl ein eine aktiv steuerbare Kraft aufbringender Lorentz-Aktor 102 als auch eine Gewichtskompensationseinrichtung 103. Im Unterschied zum eingangs erläuterten, aus WO 2005/026801 A2 bekannten Aufbau wird nun in Richtung der durch die Gewichtskompensationseinrichtung 103 auf den Spiegel 101 ausgeübten Kompensationskraft zusätzlich eine aktiv steuerbare Kraft auf den Spiegel 101 ausgeübt. Dies ist in 1 dadurch symbolisiert, dass in die Gewichtskompensationseinrichtung 103 zusätzlich ein Lorentz-Aktor (= VCM) integriert ist. Die im Weiteren noch detaillierter beschriebene Gewichtskompensationseinrichtung 103 nimmt folglich insofern eine Doppelfunktion wahr, als sie zum einen weiterhin die Gewichtskompensation gewährleistet und zum anderen dazu in der Lage ist, eine steuerbare (Aktiv-)Kraft auf den Spiegel 101 zu erzeugen.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird die Antriebsrichtung eines Aktors jeweils als z-Richtung definiert, wohingegen die x-y-Ebene senkrecht zu dieser Antriebsrichtung verläuft. Somit ist in 1 wie auch in den weiteren Abbildungen den jeweiligen Aktoren jeweils ein eigenes Koordinatensystem zugeordnet.
Im Weiteren wird auf die Schnittansicht von 2 zur detaillierteren Erläuterung einer Ausführungsform der Offenbarung Bezug genommen.
Dabei wird gemäß 2 insbesondere in Abkehr von dem z. B. in WO 2005/026801 A2 verwirklichten Konzept auf einen der abweichend von der Gewichtskraftrichtung wirkenden bzw. zusätzlich zur Gewichtskompensationseinrichtung vorgesehenen Lorentz-Aktoren verzichtet, indem die Gewichtskompensationseinrichtung 103 selbst als Aktor ausgebildet wird. Somit verbleibt nur ein seitlicher Lorentz-Aktor 102, welcher im Ausführungsbeispiel (ohne dass die Offenbarung hierauf beschränkt wäre) unter einem Winkel von 60° zur Vertikalen angeordnet ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird also die (herkömmlicherweise lediglich passiv wirkende) Gewichtskompensationseinrichtung 103 dahingehend erweitert, dass eine aktive Stellgröße aufgebracht werden kann, so dass nunmehr also eine kombinierte, zugleich aktiv wie auch passiv wirkende Bewegungsachse existiert, was zunächst insbesondere aus Bauraumgründen vorteilhaft ist.
Die Gewichtskompensationseinrichtung 103 von 2 ist also nicht mehr nur passiv ausgelegt, sondern nimmt eine Doppelfunktion dadurch wahr, dass sie zum einen weiterhin die Gewichtskompensation gewährleistet und zum anderen einer der beiden herkömmlicherweise vorgesehenen Lorentz-Aktoren in die Gewichtskompensationseinrichtung integriert ist, so dass die Gewichtskompensationseinrichtung zugleich in der Lage ist, eine steuerbare (Aktiv-)Kraft zu erzeugen.
Mit „220” ist eine Linearführung (bzw. Axialführung) schematisch angedeutet, welche im Ausführungsbeispiel als Parallelfedersystem aus speziell ausgelegten (weiter unten unter Bezugnahme auf 5 und 6 noch näher erläuterten) Blattfedern ausgestaltet ist, die im Wesentlichen die Funktion haben, eine hinsichtlich Verschiebung in z-Richtung sowie Rotation um die z-Achse freie Linearführung zu erzielen.
Des Weiteren ist gemäß 2 ein sich in vertikaler Richtung erstreckender bzw. bezogen auf die Antriebsrichtung bzw. z-Richtung axial verlaufender Pin 210 vorhanden, welcher die Bewegung in vertikaler Richtung auf den Spiegel 101 überträgt und zwei Kreuzgelenke 211, 212 bzw. Kardangelenke aufweist, so dass der Pin 210 nur in axialer Richtung eine Kraft bzw. Bewegung überträgt, wohingegen in allen anderen Richtungen wie im Weiteren noch näher ausgeführt eine weitgehende Entkopplung vorliegt.
Der Magnetkreis selbst umfasst, wie anhand von 8 noch näher dargestellt, zunächst herkömmlicherweise einen Passivmagnetkreis aus einem äußeren Magnetring 233, welcher im dargestellten Ausführungsbeispiel radial bezogen auf die in Antriebsrichtung verlaufende z-Achse polarisiert ist, sowie zwei radial weiter innen angeordnete Magnetringe 231, 232, welche im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils axial bezogen auf die z-Achse polarisiert sind, wobei sowohl der äußere Magnetring 233 als auch die innen angeordneten Magnetringe 231, 232 jeweils als Permanentmagnete ausgebildet sind. Diese innere Baugruppe ist über die durch das Parallelfedersystem 220 aus Blattfedern gebildete Linearführung geführt.
Die Offenbarung ist nicht auf die dargestellten Magnetisierungsrichtungen und Ausführungen der Magnetringe beschränkt welche auch in vielen anderen Varianten (z. B. wie in WO 2009/093907 A1 beschrieben) realisiert werden können.
Durch den Passivmagnetkreis wird in für sich bekannter Weise eine in vertikaler Richtung wirkende Kraft erzeugt, die dazu bestimmt ist, die Gewichtskraft zu kompensieren. Die beiden radial innen angeordneten Magnetringe 231, 232 sind in vertikaler Richtung (d. h. höhen-)verschiebbar, wodurch sie sowohl zueinander als auch relativ zu dem radial äußeren Magneten 233 variabel positioniert werden können, wobei durch Variation dieser Positionen der Magnetringe 231, 232 die letztendlich über den durch die Magnetringe 231–233 gebildeten Passivmagnetkreis übertragbare Kraft eingestellt werden kann. Genauer bestimmt eine Variation des axialen Abstandes der inneren Magnetringe 231, 232 vorrangig die Größe der Kraft, die vom Magnetfeld auf die bewegliche innere Baugruppe mit der den Spiegel 201 tragenden bewegten Masse ausgeübt wird, und die Verschiebung der inneren Magnetringe 231, 232 zum äußeren Magnetring 233 bestimmt vorrangig die Lage des Kraftmaximums der Aktorkennlinie relativ zur mechanischen Position des Trägerrahmens.
Über den axialen Abstand zwischen den radial inneren Magnetringen 231, 232 kann somit über den Passivmagnetkreis ein fixer Kraftwert eingestellt werden, wobei optimalerweise die Einstellung und Auslegung des Gewichtskraft-Kompensationssystems im Design so erfolgt, dass über die vom Spiegel 201 typischerweise ausgeführte Bewegung keine oder nur eine minimale Kraftänderung (dominiert durch Auslegung des Magnetkreises) eintritt.
Im Unterschied zum herkömmlichen, z. B. in WO 2005/026801 A2 verwirklichten Aufbau sind nun im Ausführungsbeispiel zwei Spulen 241, 242 vorgesehen, wobei mittels Beaufschlagung der Spulen 241, 242 mit einem elektrischen Strom nach dem Prinzip des Lorentz-Aktors eine in vertikaler Richtung wirkende, steuerbare Kraft auf das bewegte Innenteil ausgeübt werden kann. Wenngleich das Ausführungsbeispiel zwei Spulen zeigt, können in weiteren Ausführungsformen hierzu auch mehr oder weniger Spulen, d. h. insbesondere auch nur eine einzige Spule, vorgesehen sein.
Die Spulen 241, 242 wirken auf die beiden axial polarisierten, radial innen angeordneten und über die durch die Blattfedern ausgebildete Linearführung in vertikaler Richtung beweglichen Magnetringe 231, 232. Mit anderen Worten wird durch die Beaufschlagung der Spulen 241, 242 mit einem elektrischen Strom eine Lorenzkraft erzeugt und damit eine Erhöhung bzw. Verringerung der erzeugten Kraft erreicht. Während allein die Anordnung aus radial inneren Magneten 231, 232 einen passiven Magnetkreis bildet, wird durch die zusätzliche Anordnung der Spulen 241, 242 die gesamte Anordnung aus den Spulen 241, 242, den radial inneren Magneten 231, 232 und dem radial äußeren Magnet 233 zu einem aktiv steuerbaren Magnetkreis, über welchen eine aktiv steuerbare Kraft auf den Spiegel 101 übertragbar ist.
Wenngleich in dem Ausführungsbeispiel von 2 die mit einem elektrischen Strom beaufschlagbaren Spulen 241, 242 bzw. der durch diese gebildete Aktor in die Gewichtskraftkompensationseinrichtung integriert ist, ist die Offenbarung nicht hierauf beschränkt. Vielmehr ist es in weiteren Ausführungsformen auch möglich, den Lorentz-Aktor und die Gewichtskompensationseinrichtung als separate Funktionseinheiten vorzusehen, indem etwa der Lorentz-Aktor bzw. Voice-Coil-Antrieb mitsamt seiner Funktionseinheiten Spule und Passivmagnete außerhalb (z. B. in 2 unterhalb) der Gewichtskompensationseinrichtung angeordnet ist.
3 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines der Anordnung von 2 zugrundeliegenden dynamischen Modells, wobei insbesondere die Kreuzgelenke 211, 212 bzw. 251, 252 der Pins 201 bzw. 250 einerseits und die Parallelfedersysteme 220 bzw. 260 andererseits durch Federsymbole mit zugehörigen (durch die offenen Kreise symbolisierten) Gelenkpunkten dargestellt sind.
Was in dieser Darstellung zunächst den nicht in Gewichtskraftrichtung wirkenden Lorentz-Aktor (= VCM) 102 betrifft, so ist gemäß dem rechten Teil von 3 mit MPin_VCM die Masse des Pins 210 bezeichnet, welcher über die durch die Kreuzgelenke 211, 212 gebildeten Federverbindungen den Spiegel 201 an den Permanentmagneten 272 des Lorentz-Aktors 102 ankoppelt (wobei die feste Anbindung durch den geschlossenen Kreis symbolisiert ist). Die bewegte Masse m(VCM) des Permanentmagneten ist ihrerseits über das Parallelfedersystem 260, welches durch Federn mit zugehörigen Gelenkpunkten symbolisiert ist, an die mit der ortsfesten Umgebung verbundene Spule 271 des Lorentz-Aktors 102 angekoppelt.
Analog ist, was die Gewichtskraftkompensationseinrichtung 103 betrifft, mit MPin_MGC die Masse des Pins 250 bezeichnet, welcher über die durch die Kreuzgelenke 251, 252 gebildeten Federverbindungen den Spiegel 201 an die mit m(MGC) bezeichnete bewegte Masse der Gewichtskraftkompensationseinrichtung 103 (insbesondere die radial innen angeordneten Magnetringe 231, 232 aus 2) ankoppelt. Diese bewegte Masse der Gewichtskraftkompensationseinrichtung 103 ist ihrerseits über das Parallelfedersystem 220, welches ebenfalls durch Federn mit zugehörigen Gelenkpunkten symbolisiert ist, an die mit der ortsfesten Umgebung verbundenen Komponenten der Gewichtskraftkompensationseinrichtung 103 (insbesondere Spulen 241, 242 und radial äußerer Magnetring 233) angekoppelt.
In einem weiteren, in 4 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel können auch zwei jeweils zunächst passiv wirkende Antriebe 404, 405 nach Art der herkömmlichen Gewichtskraftkompensationseinrichtung vorgesehen und jeweils durch eine aktive Komponente (d. h. nach Art der Spulen 241, 242 aus 2) ergänzt werden. Die beiden Passiv-Aktiv-Antriebe 404 und 405 aus 4 weisen somit jeweils sowohl mit elektrischen Strom beaufschlagbare Spulen als auch einen für sich passiv wirkenden Permanentmagnetkreis auf. Die Anordnung dieser beiden Antriebe 404 und 405 erfolgt (z. B. unter jeweils 45° zur Vertikalen) gerade in solcher Weise, dass sich im „Urzustand” in Summe die Kraftwirkung der passiven Magnetkreise zur Gewichtskraftkompensation in vertikaler Richtung ergibt und (nahezu) keine horizontale Kraftwirkung verbleibt.
In einem noch weiteren Ausführungsbeispiel kann auch die Gewichtskraftkompensationseinrichtung von 2 so ausgelegt werden, dass diese unter Verzicht auf einen passiv wirkenden Antrieb nur ein aktives System umfasst. In diesem Beispiel weist also das Gesamtsystem zwei Lorentz-Aktoren bzw. aktive Antriebe auf, von denen der eine entlang der Vertikalen wirkt und somit zugleich die Funktion der Gewichtskraftkompensationseinrichtung übernimmt.
Im Weiteren wird der Aufbau des Lorentz-Aktors 102 (d. h. des nicht in die Gewichtskompensationseinrichtung integrierten Lorentz-Aktors) gemäß einer Ausführungsform näher erläutert.
Der Aufbau des Lorentz-Aktors 102 aus 2 beinhaltet eine weitere Abkehr von dem herkömmlichen (z. B. in WO 2005/026801 A2 verwirklichten) Konzept, die Lorentz-Aktoren mit ihrem jeweiligen passiven Teil (d. h. den beweglichen Permanentmagneten) fest im Sinne einer Starrkörperverbindung am Spiegel anzubringen.
Beim dem hier beschriebenen Konzept ist, wie im Weiteren näher ausgeführt, über einen in geeigneter Weise ausgelegten bzw. eine im Weiteren erläuterte teilweise „Entkopplung” bewirkenden Pin 250 eine mechanische Verbindung zum beweglichen Teil bzw. Permanentmagnet des Lorentz-Aktors vorhanden, welcher wiederum seinerseits linear geführt ist.
Genauer sind im Aufbau von 2 – im Unterschied zum herkömmlichen Aufbau – zusätzlich ein spezieller Pin 250 mit Kardangelenken sowie Blattfedern vorgesehen, deren Ausgestaltung im Weiteren detaillierter erläutert wird. Im Ausführungsbeispiel ist der Pin 250 ebenso wie die übrigen Teile mit Ausnahme der radial inneren oder der radial äußeren Magnetringe aus einem zur Vermeidung einer unerwünschten Beeinflussung der erzeugten Magnetfelder unmagnetischen Material hergestellt, wobei für den Pin 250 insbesondere Titan, für die übrigen (Träger-)Teile auch z. B. Edelstahl geeignet ist. In weiteren Ausführungsformen können auch zusätzliche „Rückschlusselemente” aus magnetisch gut leitendem Material zur Flussführung und Reduktion von Verlusten und Streufeldern eingesetzt werden.
Der Pin 250 weist zur Entkopplung in lateraler Richtung (d. h. senkrecht zur Antriebsachse) in seinen jeweiligen Endabschnitten zwei Kreuzgelenke bzw. Kardangelenke 251, 252 auf, so dass er eine hohe Steifigkeit nur in axialer Richtung zur Übertragung einer Kraft bzw. Bewegung aufweist, wohingegen in allen anderen Richtungen nur eine geringe Steifigkeit (d. h. eine Entkopplung) vorliegt.
Die Abkehr vom herkömmlichen Konzept einer Starrkörperverbindung zwischen Permanentmagnet des Lorentz-Aktors einerseits und Spiegel andererseits berücksichtigt, dass die besagte Starrkörperverbindung aufgrund der signifikanten Massenankopplung eine Reduzierung der Eigenfrequenz des Gesamtsystems und eine Erzeugung unerwünschter bzw. nur schwierig kontrollierbarer dynamischer Moden zur Folge haben kann. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass jeder im System vorhandene Spiegel als Schwingungskörper fundamentale Eigenmoden bzw. Eigensteifigkeiten besitzt, die je nach den am Spiegel angekoppelten Massen in unerwünschter Weise dahingehend beeinflusst werden, dass sie einerseits zu niedrigen Frequenzwerten absinken (d. h. andere als die fundamentalen Eigenmoden des Spiegels erzeugt werden) und andererseits hohe Amplituden annehmen. Im Hinblick darauf, dass die Genauigkeiten der vorzunehmenden Positionierungen der Spiegeloberflächen typischerweise im Pikometer-Bereich liegen, können die betreffenden Änderungen der Eigenmoden bzw. Eigensteifigkeiten so relevant werden, dass sie regelungstechnisch nicht mehr beherrschbar sind. Legt man beispielsweise eine typischerweise geforderte (durch die Eigenfrequenzen von Regelstrecke und Regler bestimmte) Regelbandbreite von wenigstens 100 Hz zugrunde, innerhalb der das System steuerbar bzw. kontrollierbar sein muss, so kann die vorstehend beschriebene Abnahme der Eigenfrequenzen dazu führen, dass infolge der Abnahme der Eigenfrequenzen der Regelstrecke das System durch den Regler nicht mehr auf die erwünschte Regelbandbreite gebracht werden kann.
Um dem Rechnung zu tragen, werden in Form des mit Kreuzgelenken versehenen Pins mechanische Elemente zur Anbindung der Lorentz-Aktoren an die Spiegel eingesetzt, durch welche die Summe der mechanischen Elemente einerseits in Antriebsrichtung eine vergleichsweise hohe Eigenfrequenz aufweist, in den übrigen Freiheitsgraden hingegen geeignete Nachgiebigkeiten aufweist. Mit anderen Worten ist die für den Pin 250 in axialer (Antriebs-)Richtung bzw. z-Richtung eingestellte Steifigkeit vergleichsweise hoch, wohingegen sich der Pin 250 in den übrigen Richtungen extrem weich verhält, da die Kreuzgelenke 251, 252 quer zur Antriebsrichtung bzw. z-Richtung nur eine sehr geringe Steifigkeit besitzen.
Mit anderen Worten wird die Ankopplung des passiven bzw. beweglichen Teils des Lorentz-Aktors 102 an den Spiegel 201 als ein in seinen dynamischen Eigenschaften bzw. seiner Steifigkeit definiert auslegbarer bzw. gut bestimmbarer Masse-Feder-Schwinger realisiert, dessen Eigenfrequenz f mit der Steifigkeit k (in Einheiten von N/m) über die Beziehung
verknüpft ist, wobei m die über die Feder angekoppelte Masse bezeichnet.
Generell sollte die Eigenfrequenz mindestens das 3-fache der geforderten Bandbreite der Regelung betragen.
Im konkreten Ausführungsbeispiel beträgt diese Eigenfrequenz 1.200 Hz in z-Richtung. In diesem Falle werden Anregungen, deren Frequenz 1.200 Hz überschreitet, nur stark abgeschwächt in den Spiegel 201 eingekoppelt, da das System aus durch den Permanentmagneten 272 gebildeter bewegter Masse und durch den Pin 250 realisierter Feder eine entsprechende Tiefpassfilterung bewirkt. Die Eigenfrequenzen sind jeweils abhängig vom konkreten Reglerkonzept geeignet zu wählen. Vorzugsweise liegt die Eigenfrequenz in axialer Richtung im Bereich von wenigstens 600 Hz, insbesondere wenigstens 800 Hz, sowie unterhalb von ca. 1.800 Hz, insbesondere im Bereich von 800 Hz bis 1.400 Hz, weiter insbesondere im Bereich von etwa 1.000 Hz bis 1.200 Hz. Des Weiteren beträgt das Verhältnis der Eigenfrequenzen in lateraler Richtung und axialer Richtung vorzugsweise wenigstens 1:100. Entsprechend beträgt somit aufgrund des Zusammenhangs aus Gleichung (1) das Verhältnis der Steifigkeiten in lateraler Richtung und axialer Richtung wenigstens 1:10.000.
Die zur Kraftübertragung weiterhin erforderliche mechanische Verbindung des Lorentz-Aktors 102 bzw. dessen bewegten Teils zum Spiegel 101 ist somit spezifisch auf eine Eigenfrequenz des angekoppelten Systems ausgelegt. Während bei der vorstehend erläuterten, herkömmlichen starren Anbindung an den Spiegel die sich mitsamt dem Spiegel mit bewegenden Massen nicht eigenständig schwingen können, ist in der vorliegenden Offenbarung die bewegte Masse (d. h. der Permanentmagnet 272) des Lorentz-Aktors 102 über den Pin 250 dynamisch an den Spiegel 201 angebunden, so dass die Eigenfrequenz in axialer (Antriebs-)Richtung durch die angekoppelte Masse sowie die spezifisch ausgelegte Steifigkeit des Pins 250 bestimmt wird.
Die in den lateralen Richtungen vorhandenen Steifigkeiten werden vorzugsweise nicht allein über das singuläre System des die Ankopplung des passiven bzw. beweglichen Teils des Lorentz-Aktors 102 an den Spiegel 201 herstellenden Feder-Masse-Schwingers realisiert, sondern über zusätzliche, zur lateralen Abstützung vorgesehene Federelemente. Diese Federelemente sind so ausgelegt, dass der bewegliche Teil des Lorentz-Aktors 102 (d. h. der Permanentmagnet 272) relativ zur feststehenden Spule 271 im Wesentlichen nur eine Linearbewegung ausführt, also der Pin 250 nur entlang einer Achse mit geringer Steifigkeit geführt wird, wobei in allen anderen Richtungen eine entsprechend hohe Steifigkeit vorliegt. Wie im Weiteren unter Bezugnahme auf 5 und 6 noch erläutert, wird in Ausführungsformen der Offenbarung hierzu ein Parallelfedersystem 260 aus speziell ausgelegten Blattfedern eingesetzt, welche eine zusätzliche Torsionsentkopplung bewirken. Diese Blattfedern sind – entgegengesetzt zum Pin 250 – in axialer Richtung relativ weich und nehmen nur in lateraler Richtung signifikanten Einfluss auf die Steifigkeit.
Im Rahmen der Offenbarung ist somit der bewegliche Teil bzw. Permanentmagnet 272 des Lorentz-Aktors 102 mechanisch an den die stromdurchflossene Spule 271 aufweisenden feststehenden Teil des Lorentz-Aktors 102 gekoppelt. Infolge dieser Aufhebung der vorstehend beschriebenen, herkömmlichen Entkopplung zwischen beweglichem Permanentmagneten 272 und feststehender Spule 271 ist es weiter von besonderer Bedeutung, durch entsprechende Ausführung der Parallelführung des beweglichen Teils bzw. Permanentmagneten etwaige Parasitärkräfte bzw. Parasitärmomente, die über die mechanische Ankopplung bzw. Federgelenke auf den Spiegel 101 übertragen werden, in einem noch tolerierbaren Bereich zu halten, was über das im Weiteren noch erläuterten Parallelfedersystem mit Blattfedern erfolgt.
Insgesamt ist somit im Aufbau von 2 der Lorentz-Aktor 102 in allen sechs Freiheitsgraden mit einer spezifisch einstellbaren Steifigkeit an das Gesamtsystem mechanisch angekoppelt, wobei diese Ankopplung mit dem passiven Teil (bewegte Masse bzw. Permanentmagnet 272) des Lorentz-Aktors 102 über die Federwirkung des Pins 250 an den Spiegel 201 und zugleich an die übrige Umgebung über das Parallelfedersystem 260 erfolgt.
Im Weiteren werden Ausführungsformen des bereits erwähnten Parallelfedersystems 260 aus Blattfedern unter Bezugnahme auf 5 und 6 erläutert. Dieses Parallelfedersystem 260 wird eingesetzt, da durch Auslegung des Pins 250 zwar die gewünschte Eigenfrequenz für den Freiheitsgrad der Verschiebung in z-Richtung (d. h. in axialer Richtung entlang der Antriebsachse) eingestellt werden kann (z. B. auf den o. g. beispielhaften Wert von 1.200 Hz), der Pin 250 jedoch alleine noch keine zielgerecht bzw. weit genug bestimmbaren Eigenfrequenzen in lateraler Richtung (d. h. in der zur Antriebsachse senkrechten x-y-Ebene) ergibt. Insbesondere ergibt sich etwa die Steifigkeit bezüglich des Freiheitsgrades der Rotation um die z-Achse (d. h. R_z) im Wesentlichen als parasitäre, nicht steuerbare Störgröße aus der eingestellten Eigenfrequenz bezüglich des Freiheitsgrades der Verschiebung in z-Richtung.
Die Funktion des Parallelfedersystems 260 bzw. der im Folgenden beschriebenen Blattfederelemente ist einerseits eine Führung in der gewünschten Wirk- bzw. Antriebsrichtung (d. h. in z-Richtung) und andererseits eine Abstützung in der lateralen Richtung (d. h. in der x-y-Ebene).
Im Weiteren wird unter Bezugnahme auf 5 die Ausgestaltung der bereits vorstehend erwähnten Blattfeder 500 gemäß einer Ausführungsform erläutert. Dabei wird ein Aufbau aus zwei Blattfedern 500 verwendet, die entlang der Wirkrichtung des Lorentz-Aktors 102 hintereinander geschaltet angeordnet sind und gemeinsam im Wesentlichen nur noch eine Linearbewegung in Antriebsrichtung bzw. z-Richtung zulassen.
Der bewegliche, an den Spiegel 101 angekoppelte Pin 210 ist mit dem radial inneren Abschnitt der Blattfeder 500 fest verbunden, wohingegen die feststehende Umgebung mit dem radial äußeren Abschnitt der Blattfeder 500 fest verbunden ist. Gemäß 5 weist die Blattfeder 500 drei tangential angeordnete Biegebalken 510, 520 und 530 auf. 6 zeigt eine vorteilhafte Weiterentwicklung einer Blattfeder 600, welche ebenfalls drei tangential angeordnete Biegebalken 610, 620 und 630 aufweist.
Die tangentiale Anordnung der Biegebalken 610, 620 und 630 bewirkt im Falle einer axialen Auslenkung zusätzlich zu der gewünschten z-Verschiebung eine parasitäre Drehbewegung, welche aus den Auslenkungen der drei Biegebalken 610, 620 und 630 resultiert und bei gleich orientiertem Einbau der Blattfedern 600 zu einer Verspannung des Pins 210 und einer Kraft auf den Spiegel 101 führt. Bei drehsteifer Anordnung der Blattfeder 600 führt eine Drehbewegung zu einer zusätzlichen Verspannung der Biegebalken 610, 620 und 630 und damit zu einem starken Anstieg der Axialsteifigkeiten. Wenn zwei gegenläufig eingebaute bzw. gegeneinander wirkende Blattfedern 600 eingesetzt werden, verspannen sich die Blattfedern 600 gegeneinander, was bei Auslenkung der Blattfedern 600 eine solche Zunahme der Federkraft zur Folge hat, dass die Blattfedern 600 sich mit zunehmender Auslenkung steifer verhalten.
Der vorstehend beschriebene Effekt der parasitären Drehbewegung kann bei der Ausführung von 5 durch die doppelte bzw. geknickte Führung der einzelnen, hin und zurück verlaufenden Biegebalken 510, 520 und 530 ganz oder teilweise reduziert werden. Im Ausführungsbeispiel von 6 sind hingegen zusätzlich drei sich radial nach außen erstreckende Blattfederentkopplungsgelenke vorhanden. Jedes dieser Blattfederentkopplungsgelenke weist jeweils einen in radialer Richtung verlaufenden Biegebalken 615, 625 bzw. 635 auf, welcher jeweils einen Entkopplungssteg zur Verbindung zwischen dem radial inneren Abschnitt und dem radial äußeren Abschnitt bildet, so dass der radial innere Abschnitt der Blattfeder 600 gegenüber dem radial äußeren Abschnitt der Blattfeder 600 verdreht werden kann. Die die Torsionsentkopplung bewirkenden Entkopplungsgelenke können radial innenseitig oder auch radial außenseitig zu den Biegebalken angeordnet sein.
Durch die vorstehend beschriebenen Entkopplungsgelenke kann eine zusätzliche Torsionsentkopplung bezüglich der zuvor beschriebenen, durch eine axiale Auslenkung induzierten Drehbewegung bewirkt werden. Die in radialer Richtung verlaufenden Biegebalken 615, 625 bzw. 635 sind in der tangentialen Richtung bzw. in der x-y-Ebene nur mit einer relativ geringen Dicke ausgebildet und somit relativ weich (weisen also eine gute Nachgiebigkeit zur Drehung um die z-Richtung, d. h. bezüglich des Freiheitsgrades R_z auf), in der z-Richtung hingegen relativ dick (z. B. in der Größenordnung von 0.3–2.5 mm) und damit relativ steif. Im Ergebnis wird hierdurch auch erreicht, dass die Blattfeder 600 unempfindlicher gegenüber eingeleiteten Torsionsspannungen während der Montage wird, wobei Horizontalsteifigkeiten nur minimal beeinträchtigt werden.
Mit anderen Worten sollten die jeweiligen Steifigkeiten (in Einheiten von N/m) so beschaffen sein, dass das Aspektverhältnis zwischen der lateralen Steifigkeit (d. h. der Steifigkeiten gegenüber Verschiebungen in der x-y-Ebene, welche infolge der Rotationssymmetrie übereinstimmen) und der axialen Steifigkeit (d. h. der Steifigkeit für Verschiebung in Richtung der z-Achse) möglichst hoch ist. Im Idealfalle würde durch die Blattfedern eine vollständige Fixierung in der x-y-Ebene und eine lineare Führung (ohne jede Steifigkeit) in der z-Richtung, d. h. der gewünschten Wirkrichtung, erzielt. Quantitativ beträgt das Verhältnis zwischen lateraler Steifigkeiten und axialer Steifigkeit wenigstens 3.000, insbesondere wenigstens 6.000, weiter insbesondere wenigstens 9.000
Des Weiteren ist vorzugsweise aufgrund der vorstehend beschriebenen Blattfederentkopplungsgelenke die über den gesamten Verfahrweg der Blattfedern 600 auftretende maximale Stellkraft um einen Faktor zwei kleiner als in einem analogen Aufbau ohne die zusätzlichen radialen Entkopplungselemente bzw. Stege: Infolge der Ausgestaltung der Blattfedern erhält nun die im Diagramm in 7 dargestellte Kraft/Weg-Kennlinie einen flacheren Verlauf. Angestrebt wird eine möglichst konstante Federsteifigkeit (entsprechend einer konstanten Steigung der Kraft-Weg-Kennlinie über den gesamten Verfahrweg x), wobei zudem diese Steigung bzw. die Federsteifigkeit einen möglichst geringen Wert haben sollte. In 7 zeigt Kurve „A” eine beispielhafte Charakteristik, welche für zwei gegenläufig eingebaute Blattfedern ohne die unter Bezugnahme auf 6 beschriebene Torsionsentkopplung erhalten wird, und Kurve „B” zeigt die entsprechende Charakteristik mit der unter Bezugnahme auf 6 beschriebenen Torsionsentkopplung. Die mit Kurve „B” erzielte Verbesserung kommt vor allem bei höheren Auslenkungen (d. h. größerem Verfahrweg) zum Tragen.
Wenngleich im Ausführungsbeispiel von 2 die unter Bezugnahme auf 6 beschriebenen Blattfedern nur in der Gewichtskompensationseinrichtung 103 eingesetzt sind, können diese grundsätzlich auch im Bereich des nicht in z-Richtung wirkenden Lorentz-Aktors 102 vorgesehen sein.
Wie bereits anhand des Aufbaus in 2 beschrieben kann grundsätzlich die Einstellung der passiven Kraftkomponente in vertikaler Richtung dadurch erfolgen, dass die Position der radial inneren Magnete 231, 232 relativ zueinander und oder relativ zum äußeren Magneten 233 variiert wird.
Gemäß 8 wird nun zur kontinuierlichen Einstellung der durch die Gewichtskraftkompensationseinrichtung 103 insgesamt ausgeübten Kompensationskraft – im Wege der kontinuierlichen Manipulation der durch den Passivmagnetkreis erzeugten Kraftkomponente – ein zusätzliches Justageelement 880 verwendet. Das Justageelement 880 weist im Ausführungsbeispiel (jedoch ohne dass die Erfindung darauf beschränkt wäre) eine ringförmige Geometrie auf und ist aus einem weichmagnetischen Material hergestellt. Über eine Verschiebung des Justageelementes 880 in vertikaler (d. h. bezogen auf die Richtung der durch die Gewichtskraftkompensationseinrichtung ausgeübten Kompensationskraft axialer) Richtung kann der Verlauf der vom (aus den radial inneren Magnetringen 831, 832 und dem radial äußeren Magnetring 833 gebildeten) Passivmagnetkreis erzeugten Magnetfeldlinien und damit die letztlich auf das optische Element bzw. den Spiegel ausgeübte Kraft kontinuierlich und reversibel manipuliert werden.
Die Anordnung des Justageelement 880 hat insbesondere den Vorteil, dass aufgrund der Tatsache, dass auch eine Verschiebung des Justageelement 880 über eine größere Strecke nur eine relativ geringe Änderung (typischerweise um wenige Prozent, z. B. 1–2%) der durch den Passivmagnetkreis erzeugten Kraft bewirkt, eine Feinjustage vorgenommen werden kann, die zum einen über den Passivmagnetkreis selbst schwieriger zu bewerkstelligen ist und zum anderen auch keinen direkten Zugriff auf den Passivmagnetkreis selbst erfordert.
Im Betrieb kann insbesondere zunächst (für eine Vor- bzw. Grobjustage) das Magnetfeld über die Abstandseinstellung der inneren Magnetringe 831, 832 voreingestellt und anschließend mittels des Justageelementes 880 noch in einem kleinen Einstellbereich (von wenigen Prozent) variiert werden, indem das Justageelement 880 je nach den konkreten Erfordernissen eine abschwächende oder verstärkende Wirkung auf das insgesamt erzeugte Magnetfeld und damit auf die an den Spiegel 101 übertragene Kraft ausübt. Die Justage über das Justageelement 880 hat den weiteren Vorteil, dass ein Wärmeeintrag in das System, welcher mit einer grundsätzlich ebenfalls möglichen Feineinstellung über die in 8 nicht dargestellten Spulen als aktiver Teil der Vorrichtung einhergehen würde, insoweit vermieden werden kann.
In weiteren Ausführungsformen können auch zwei Justageelemente bzw. Justageringe verwendet werden, die insbesondere symmetrisch zur Mittelebene des Außenmagnetringes angeordnet sein können. Ferner können in noch weiteren Ausführungsformen auch mehr als zwei Justageelemente bzw. Justageringe, die in Reihe zueinander angeordnet sein können, verwendet werden.
Im Weiteren wird der Aufbau des bereits erwähnten Buchsengelenkes gemäß einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf 9 und 10 erläutert. Der Pin 210 weist zunächst in soweit bekannter Weise zwei Kardangelenke 211, 212 auf, über welche eine Entkopplung in den nicht axial verlaufenden Richtungen erzielt wird.
Darüberhinaus ist der Pin 210 in besonderer Weise so ausgestaltet, dass er einen ersten Teilabschnitt aufweist, in welchem eines der beiden Kreuzgelenke 211 angeordnet ist, sowie einen über von dem ersten Teilabschnitt separaten bzw. über ein mechanisches Interface angeordneten zweiten Teilabschnitt, in welchem das andere der beiden Kreuzgelenke 212 angeordnet ist (anstatt den Pin 210 einstückig bzw. monolithisch auszubilden). Des Weiteren ist in einer bevorzugten Ausgestaltung eines der Kardangelenke 212 innen hohl ausgebildet, so dass der Pin 250 durch dieses Kardangelenk 252 hindurchgeführt und so ein frei wählbarer Kraftfluss erzeugt werden kann.
Was zunächst die zuerst genannte Unterteilung des Pins 210 in zwei Abschnitte betrifft, so wird dadurch, dass eines der Kreuzgelenke 211, 212 in einem vom übrigen Teil des Pins 210 separaten, abgekoppelten Abschnitt angeordnet ist, welcher fest am Spiegel angebracht ist, eine Deformationsreduzierung auf Seiten des Spiegels 101 erzielt. Dabei wird dem Umstand Rechnung getragen, dass der Spiegel 101 auf jegliche Krafteinleitung aufgrund der damit einhergehenden Oberflächendeformationen sensitiv ist. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, dass bei wiederholter Verwendung des Spiegels 101 in Mess- sowie Fertigungsanlagen insofern eine in sämtlichen Schritten identische Lagerung des Spiegels 101 realisierbar ist, als der Krafteinleitungspunkt am Spiegel 101 unverändert gehalten werden kann. Mit anderen Worten kann durch die vorstehend beschriebene Zweiteilung des Pins 210 erreicht werden, dass die Gelenkposition des einen der beiden Kreuzgelenke 211, 212 in Bezug auf den Spiegel 101 fixiert bleibt, da dieses Kreuzgelenk 211 mit dem Spiegel 101 fest verbunden ist. Das entsprechende mit dem Spiegel 101 fest verbundene Kreuzgelenk 211 wird im Weiteren als Buchsengelenk bezeichnet.
Durch die hohle Ausgestaltung des Buchsengelenks wird dem Umstand Rechnung getragen, dass je nach den konkreten Einsatzbedingungen im optischen System ein Spiegel an dem jeweiligen Aktor hängend oder auch auf dem jeweiligen Aktor stehend angeordnet sein kann.
Dadurch, dass das Buchsengelenk hohl ausgeführt wird, kann über den Anbindungspunkt zum Spiegel frei gewählt werden, ob das jeweilige Gelenk auf Zug oder auf Druck belastet wird, und zwar unabhängig davon, wie der Spiegel 101 im optischen System angeordnet ist. Ausschlaggebend hierfür ist die Kombination aus der Kraftrichtung einerseits und dem Ort der festen Anbindung des Gelenks andererseits, die wiederum aufgrund der hohlen Ausgestaltung frei wählbar ist. Konkret muss die Kraftrichtung über das Gelenk auf den Ort der Anbindung zu orientiert sein, damit eine Belastung auf Druck erfolgt. Umgekehrt muss die Kraftrichtung über das Gelenk betrachtet vom Ort der Anbindung weg zeigen, damit eine Belastung auf Zug erfolgt. Sofern also das System einmal hinsichtlich der Steifigkeiten und der dynamischen Eigenschaften optimiert worden ist, können diese Einstellungen sowohl für im vorstehenden Sinne hängende als auch für stehende Spiegelanordnungen realisiert bzw. beibehalten werden.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird jeweils ein Pin mit zwei Kreuzgelenken eingesetzt, welcher die Bewegung in vertikaler Richtung auf den Spiegel 101 überträgt, indem er über die durch die Kreuzgelenke gebildeten Federverbindungen den Spiegel 101 an die bewegte Masse der Gewichtskraftkompensationseinrichtung 103 und insbesondere die hierzu gehörenden radial innen angeordneten Magnetringe 231, 232 aus 2 ankoppelt. Dabei wird wie schon erläutert unter einem Kreuzgelenk im Sinne der vorliegenden Anmeldung ein Gelenk verstanden, welches zwei Kippgelenke mit orthogonaler Ausrichtung der Kippachsen zueinander (bzw. bezogen auf den Kraftfluss in Serie geschaltete Kippgelenke) aufweist, die vorzugsweise einen gemeinsamem Drehpunkt aufweisen.
Wie in 11 veranschaulicht ist, tritt nun in der Praxis bei Aufbringung einer Kraft bzw. axialen Belastung auf einen solchen Pin in Verbindung mit einer lateralen Auslenkung eine Querkraft F_q durch „Pendeleffekt” und Momente durch die Rückstellwirkung/Biege-Steifigkeit der ausgelenkten Gelenke auf, welche z. B. Deformationen des Spiegels 101 hervorrufen kann und somit grundsätzlich unerwünscht ist. Diese parasitäre Querkraft kann unter Bezugnahme auf die in 11 definierten Größen wie folgt mathematisch beschrieben werden: F·a = F_q·h (2) F_q = F·a / h (3) l² = h² + a² (4)
Dabei bezeichnet F die auf den Pin 910 ausgeübte Kraft, l den Abstand zwischen den beiden Kreuzgelenken des Pins, a die maximale laterale Auslenkung des Pins (bzw. den maximalen Abstand des lateral ausgelenkten Pins von der z-Achse und h die Länge der Projektion der Verbindungsstrecke zwischen den beiden Kreuzgelenken auf die z-Achse.
Zwar besteht, wie aus Gleichung (3) unmittelbar ersichtlich, ein möglicher Ansatz zur Querkraftreduzierung in einer Erhöhung der Länge des Pins (bzw. des Abstandes zwischen den beiden Kreuzgelenken), jedoch ist dies im Hinblick auf den beschränkten Bauraum nur begrenzt möglich.
Im Weiteren werden unter Bezugnahme auf 12ff. Ausführungsformen der Erfindung erläutert, mit denen die vorstehend beschriebenen Querkräfte reduziert und idealerweise vollständig eliminiert werden können.
Dabei wird gemäß der Erfindung zur Reduzierung der Querkraft der bereits in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen erläuterten Gewichtskraftkompensationseinrichtung vorhandene Magnetkreis aus zwei in radialer Richtung innen befindlichen Magneten und einem in radialer Richtung außen befindlichen Magneten genutzt. Dies erfolgt in solcher Weise, dass dieser Magnetkreis durch geeignete Gestaltung der Führungen dieser Magnete nicht nur eine in vertikaler Richtung wirkende Kraft erzeugt, sondern wie im Weiteren beschrieben auch in anderen Richtungen wirkende Kräfte bzw. Momente erzeugt, welche der besagten Querkraft F_q gerade entgegengerichtet bzw. zu deren Kompensation geeignet sind.
Der Erfindung liegt dabei das Konzept zugrunde, etwa ausgehend vom Aufbau von 8 bewusst eine Verschiebung der in radialer Richtung innen befindlichen Magnete 831, 832 relativ zu den in radialer Richtung außen befindlichen Magneten 833 zu ermöglichen und diese Bewegung bzw. die damit einhergehenden, grundsätzlich parasitären Kräfte insofern zu nutzen, als die hierdurch erzeugten Querkräfte die besagte, auf den Pin 810 wirkende parasitäre Querkraft F_q wenigstens teilweise kompensieren.
Zur Erläuterung zeigen 12a und 12b zunächst schematische Prinzipskizzen. Gemäß 12a wird grundsätzlich die erfindungsgemäße Querkraftkompensation dadurch erreicht, dass auf der dem Spiegel 101 abgewandten Seite der Gewichtskraftkompensationseinrichtung 930 eine (in 12a durch den Spalt bzw. Abstand zwischen dem als ortsfest angenommenen System und der Anbindung symbolisierte) axiale Führung 901 und ein Drehgelenk 902 vorgesehen sind.
In einer schematisch in 12b dargestellten Ausführungsform kann insbesondere eine Kombination aus einer Parallelführung 901 und einem Kreuz- bzw. Kardangelenk 902 eingesetzt werden, wobei die Parallelführung 901 z. B. durch zwei Blattfedern 901a, 901b mit z. B. dem unter Bezugnahme auf 5 bzw. 6 beschriebenen Aufbau gebildet sein kann.
In einer weiteren Ausführungsform kann etwa ein geeignetes Blattfederelement vorgesehen sein, welches so ausgestaltet ist, dass zur Erzielung der vorstehend beschriebenen Kompensation sowohl eine Auslenkungsbewegung entlang der z-Achse als auch eine Verkippung um die x- oder y-Achse zugelassen wird. Hierzu können die Blattfederelemente wie in 5 und 6 gezeigt ausgestaltet sein, wodurch die benötigten Freiheitsgrade bereitgestellt werden können. Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung kann auch eine Axialführung wie im Falle der Gewichtskraftkompensationseinrichtung vorgesehen sein, bei der zwei Blattfedergelenke wie in 5 und 6 gezeigt mit einem zusätzlichen Kardangelenk in Reihe geschaltet sind.
Die konkrete Anordnung der in 12a–b gezeigten Komponenten hängt davon ab, ob der betreffende Spiegel 101 stehend oder hängend im System angeordnet ist.
13a zeigt zunächst ein konkretes Ausführungsbeispiel für eine stehende Spiegelanordnung. Gemäß 13a bilden analog zum Aufbau von 8 zwei in radialer Richtung innen befindlichen Magnete 931, 932 die bewegte Masse der Gewichtskraftkompensationseinrichtung, und der in radialer Richtung äußere Magnet 933 bildet den in Bezug auf das optische System feststehenden Teil.
Im Unterschied jedoch zum Aufbau von 8, in welchem die in radialer Richtung innen befindlichen Magnete 831, 832 infolge der beiden Blattfederelemente 821, 822 nur eine Bewegung in axialer Richtung bzw. z-Richtung ausführen, ist die Anordnung gemäß 13a so ausgestaltet, dass außer einer axialen Verschiebung in z-Richtung auch eine Torsion bzw. Kippung um die y- oder x-Achse (oder eine andere, in der x-y-Ebene liegende Drehachse) zugelassen wird, wobei zugleich gegenüber Verschiebungen lateral bzw. in radialer Richtung eine hinreichende Steifigkeit vorhanden ist.
Hierzu erfolgt die Anbindung der bewegten Masse der Gewichtskraftkompensationseinrichtung entsprechend dem Schema von 12a über ein geeignetes Blattfederelement 940, welches so ausgestaltet ist, dass sowohl eine Auslenkungsbewegung entlang der z-Achse als auch eine Verkippung um die x- oder y-Achse zugelassen wird.
13b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches grundsätzlich analog zum Beispiel von 13a, jedoch für eine hängende Spiegelanordnung bestimmt ist (so dass der Spiegel 101 in 13b „unten” angeordnet ist). Analog zur Anordnung von 13a befindet sich in 13b die Anbindung der bewegten Masse der Gewichtskraftkompensationseinrichtung bzw. der radial innen liegenden Magnete 931, 932 an den Rahmen 105 bzw. das feststehende optische System auf der dem Spiegel 101 abgewandten Seite der Gewichtskraftkompensationseinrichtung 930.
Allgemein erfolgt die Anbindung der bewegten Masse der Gewichtskraftkompensationseinrichtung bzw. der radial innen liegenden Magnete 931, 932 an den Rahmen 105 bzw. das feststehende optische System in solcher Weise, dass sich eine Kompensation der auf den Pin wirkenden Querkraft F_q ergibt.
Zur Veranschaulichung sind in 14 lediglich schematisch die jeweils resultierenden Kräfte und Momente im Falle einer (nicht allein entlang der z-Achse erfolgenden) Verschiebung der bewegten Masse der Gewichtskraftkompensationseinrichtung bzw. der radial innen liegenden Magnete 931, 932 relativ zum Rahmen 105 bzw. dem feststehenden optischen System angedeutet. Verschiebt man beispielsweise in 14 die bewegte Masse der Gewichtskraftkompensationseinrichtung „schräg nach oben” oder „schräg nach unten”, so wirken jeweils die in 14 durch geradlinige Pfeile angedeuteten Kräfte bzw. die durch gebogene Pfeile angedeuteten Momente (deren Größe jeweils von den Hebelverhältnissen abhängt). Dabei wird davon ausgegangen, dass sich in der Ausgangslage bzw. Nullposition des Pins 910 idealerweise keine Querkraft ergibt (da diese nur bei Auslenkung relativ zur z-Achse erzeugt wird). Gemäß der Erfindung wird nun wie vorstehend beschrieben diese Querkraft dazu genutzt, die beschriebene, auf den Pin 910 wirkende Querkraft F_q zu kompensieren.
Berechnungen zeigen, dass durch diese Maßnahme Reduzierungen der parasitären Querkraft F_q erzielt werden können, die in der Größenordnung von 30% oder darüber liegen.
Ein weiterer Vorteil der anhand von 12–14 beschriebenen Ausführungsformen besteht darin, dass sich der bewegten Masse der Gewichtskraftkompensationseinrichtung bzw. den radial innen liegenden Magneten 931, 932 einerseits und dem Spiegel 101 andererseits im Unterschied etwa zur Ausführungsform von 8 nur noch ein einziges Drehgelenk befindet (welches in 12a bzw. 12b mit 111 bezeichnet ist), was zur Folge hat, dass insgesamt die angestrebten Eigenfrequenzen bzw. Steifigkeiten verglichen mit einer Anordnung aus zwei Drehgelenken im Bereich zwischen bewegter Masse der Gewichtskraftkompensationseinrichtung und Spiegel) einfacher erreicht werden können (aufgrund des Wegfalls eines Gelenkes wird die Axial-Steifigkeit deutlich höher, so dass das verbleibende Kreuzgelenk entsprechend einfacher angepasst werden kann).
Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zur Halterung eines optischen Elementes, wie sie in den nachfolgenden Sätzen definiert ist:

1. Anordnung zur Halterung eines optischen Elementes, insbesondere in einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage, mit einer Gewichtskraftkompensationseinrichtung zur Ausübung einer Kompensationskraft auf das optische Element, wobei diese Kompensationskraft die auf das optische Element wirkende Gewichtskraft wenigstens teilweise kompensiert, und wenigstens zwei Aktoren, welche jeweils eine steuerbare Kraft auf das optische Element ausüben, wobei wenigstens einer der Aktoren die steuerbare Kraft auf das optische Element in der Richtung der Kompensationskraft erzeugt.
2. Anordnung nach Satz 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieser wenigstens eine Aktor in die Gewichtskraftkompensationseinrichtung integriert ist.
3. Anordnung nach Satz 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtskraftkompensationseinrichtung einen Passivmagnetkreis zur Erzeugung einer konstanten Kraftkomponente der auf das optische Element wirkenden Kompensationskraft aufweist.
4. Anordnung nach einem der Sätze 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der in Richtung der Kompensationskraft wirkende Aktor bzw. die Gewichtskraftkompensationseinrichtung wenigstens eine mit einem elektrischen Strom beaufschlagbare Spule zur Erzeugung einer über wenigstens ein bewegliches Aktorelement auf das optische Element übertragenen, aktiv steuerbaren Kraft aufweist.
5. Anordnung nach Satz 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens eine bewegliche Aktorelement ein zu dem Passivmagnetkreis gehörender Magnet ist.
6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein Spiegel ist.
7. Anordnung nach einem der Sätze 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetkraftkompensationseinrichtung einen in bezogen auf die Antriebsrichtung axialer Richtung verschiebbaren Justagering aufweist, wobei durch Verschiebung dieses Justageringes die vom Passivmagnetkreis ausgeübte Kraft manipulierbar ist.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens einem der Aktoren und dem optischen Element eine mechanische Kopplung in solcher Weise ausgebildet ist, dass bezogen auf die Antriebsachse dieses Aktors das Verhältnis der Steifigkeit dieser mechanischen Kopplung in axialer Richtung zur Steifigkeit in lateraler Richtung wenigstens 100 beträgt.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens einem der Aktoren und dem optischen Element eine mechanische Kopplung in solcher Weise ausgebildet ist, dass für diese mechanische Kopplung die Eigenfrequenz in axialer Richtung wenigstens das 3-fache der Bandbreite der Regelung beträgt.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens einem der Aktoren und dem optischen Element eine mechanische Kopplung in solcher Weise ausgebildet ist, dass für diese mechanische Kopplung die Eigenfrequenz in axialer Richtung im Bereich von 600 Hz bis 1.800 Hz, insbesondere im Bereich von 800 Hz bis 1.400 Hz, weiter insbesondere im Bereich von 1.000 Hz bis 1.200 Hz, liegt.
11. Anordnung zur Halterung eines optischen Elementes, insbesondere in einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage, mit wenigstens zwei Aktoren, welche jeweils eine steuerbare Kraft auf das optische Element ausüben, wobei zwischen wenigstens einem der Aktoren und dem optischen Element eine mechanische Kopplung in solcher Weise ausgebildet ist, dass bezogen auf die Antriebsachse dieses Aktors das Verhältnis der Steifigkeit dieser mechanischen Kopplung in axialer Richtung zur Steifigkeit in lateraler Richtung wenigstens 100 beträgt.
12. Anordnung zur Halterung eines optischen Elementes, insbesondere in einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage, mit wenigstens zwei Aktoren, welche jeweils eine steuerbare Kraft auf das optische Element ausüben, wobei zwischen wenigstens einem der Aktoren und dem optischen Element eine mechanische Kopplung in solcher Weise ausgebildet ist, dass für diese mechanische Kopplung die Eigenfrequenz in axialer Richtung im Bereich von 600 Hz bis 1.800 Hz, insbesondere im Bereich von 800 Hz bis 1.400 Hz, weiter insbesondere im Bereich von 1.000 Hz bis 1.200 Hz, liegt.
13. Anordnung nach einem der Sätze 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Kopplung einen mit zwei Kreuzgelenken versehenen Pin aufweist.
14. Anordnung nach Satz 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Pin ein erstes Teilelement, in welchem eines der beiden Kreuzgelenke ausgebildet ist, sowie ein mit dem ersten Teilelement lösbar verbundenes zweites Teilelement aufweist, in welchem das andere der beiden Kreuzgelenke ausgebildet ist.
15. Anordnung nach Satz 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teilelement fest am Spiegel angebracht ist.
16. Anordnung nach einem der Sätze 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der beiden Kreuzgelenke bereichsweise hohl ausgebildet ist.
17. Anordnung nach einem der vorhergehenden Sätze, dadurch gekennzeichnet, dass eine bewegliche Aktorkomponente wenigstens eines der Aktoren an eine unbewegliche Aktorkomponente dieses Aktors über ein Parallelfedersystem mechanisch angekoppelt ist.
18. Anordnung nach Satz 17, dadurch gekennzeichnet, dass für diese mechanische Ankopplung das Verhältnis der Steifigkeit in lateraler Richtung zur Steifigkeit in axialer Richtung wenigstens 3.000, insbesondere wenigstens 6.000, weiter insbesondere wenigstens 9.000, beträgt.
19. Anordnung nach Satz 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Parallelfedersystem eine Anordnung aus zwei Blattfedern aufweist, welche jeweils bezogen auf die Antriebsachse des Aktors tangential angeordnete Biegebalken aufweisen.
20. Anordnung nach Satz 19, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine dieser Blattfedern in bezogen auf die Antriebsachse des Aktors radialer Richtung verlaufende Biegebalken aufweist.
21. Anordnung zur Halterung eines optischen Elementes in einem optischen System, insbesondere in einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage, mit einer Gewichtskraftkompensationseinrichtung zur Ausübung einer Kompensationskraft auf das optische Element, wobei diese Kompensationskraft die auf das optische Element wirkende Gewichtskraft wenigstens teilweise kompensiert, wobei die Gewichtskraftkompensationseinrichtung wenigstens einen relativ zu einem feststehenden Rahmen des optischen Systems beweglichen Magneten und wenigstens einen relativ zu diesem Rahmen feststehenden Magneten aufweist, und wobei der wenigstens eine relativ zum Rahmen bewegliche Magnet in einer von der Richtung der Kompensationskraft abweichenden Richtung beweglich gelagert ist.
22. Anordnung nach Satz 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtskraftkompensationseinrichtung über einen Pin mechanisch an das optische Element angekoppelt ist.
23. Anordnung nach Satz 22, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine relativ zum Rahmen bewegliche Magnet in einer zur Längsachse des Pins nicht-parallelen Richtung beweglich gelagert ist.
24. Anordnung nach Satz 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auslenkung des Pins in einer von der Richtung der Kompensationskraft abweichenden Richtung zu einer Relativbewegung zwischen dem relativ zum Rahmen beweglichen Magneten und dem relativ zum Rahmen feststehenden Magneten führt.
25. Anordnung nach Satz 24, dadurch gekennzeichnet, dass durch diese Relativbewegung ein magnetisches Moment erzeugt wird, welches eine auf den Pin in einer von der Richtung der Kompensationskraft abweichenden Richtung wirkende Querkraft wenigstens teilweise kompensiert.
26. Anordnung nach einem der Sätze 21 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rahmen und dem relativ zum Rahmen beweglichen Magneten eine mechanische Kopplung vorgesehen ist, welche sowohl eine axiale Verschiebung des relativ zum Rahmen beweglichen Magneten in Richtung der Gewichtskraft als auch eine Kippung des relativ zum Rahmen beweglichen Magneten um eine zur Richtung der Gewichtskraft senkrechte Drehachse ermöglicht.
27. Anordnung nach Satz 26, dadurch gekennzeichnet, dass diese mechanische Kopplung eine axiale Führung und ein Drehgelenk aufweist.
28. Anordnung nach Satz 27, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Führung durch ein Parallelfedersystem aus zwei Blattfedern gebildet ist.
29. Anordnung nach Satz 26, dadurch gekennzeichnet, dass diese mechanische Kopplung ein Federelement aufweist, welches sowohl eine axiale Verschiebung des relativ zum Rahmen beweglichen Magneten in Richtung der Gewichtskraft als auch eine Kippung des relativ zum Rahmen beweglichen Magneten um mindestens eine zur Richtung der Gewichtskraft senkrechte Drehachse ermöglicht.
30. Anordnung nach Satz 29, dadurch gekennzeichnet, dass die durch dieses Federelement gebildete mechanische Kopplung eine Eigenfrequenz in axialer Richtung im Bereich von 600 Hz bis 1.800 Hz, insbesondere im Bereich von 800 Hz bis 1.400 Hz, weiter insbesondere im Bereich von 1.000 Hz bis 1.200 Hz, aufweist.
31. Anordnung nach einem der Sätze 22 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Pin zwei Kreuzgelenke aufweist.
32. Anordnung nach einem der Sätze 21 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element ein Spiegel ist.

Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z. B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010063566 [0001]
DE 102010063577 [0001]
WO 2005/026801 A2 [0005, 0062, 0065, 0073, 0082]
WO 2009/093907 A1 [0070]

Claims

Anordnung zur Halterung eines optischen Elementes, insbesondere in einer EUV-Projektionsbelichtungsanlage, mit • einer Gewichtskraftkompensationseinrichtung (103) zur Ausübung einer Kompensationskraft auf das optische Element (101), wobei diese Kompensationskraft die auf das optische Element (101) wirkende Gewichtskraft wenigstens teilweise kompensiert; • wobei die Gewichtskraftkompensationseinrichtung (103) einen Passivmagnetkreis zur Erzeugung einer Kraftkomponente der auf das optische Element (101) wirkenden Kompensationskraft aufweist; und • wobei wenigstens ein Justageelement (880) vorgesehen ist, mit dem die von dem Passivmagnetkreis erzeugte Kraftkomponente kontinuierlich manipulierbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Justageelement (880) zur Manipulation der von dem Passivmagnetkreis erzeugten Kraftkomponente axial in Bezug auf die Richtung der Kompensationskraft verschiebbar ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Justageelement (880) aus einem weichmagnetischen Material hergestellt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Justageelement wenigstens einen Permanentmagneten aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Justageelement wenigstens eine mit einem elektrischen Strom beaufschlagbare Spule aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Justageelement (880) die Gewichtskraftkompensationseinrichtung (103) wenigstens teilweise umgibt.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Justageelement (880) eine ringförmige Geometrie aufweist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner eine Regelungsvorrichtung aufweist, über welche die Position des Justageelements (880) in Abhängigkeit von wenigstens einem Betriebsparameter der Anordnung regelbar ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine temperatur- und/oder alterungsbedingte Änderung der durch die Gewichtskraftkompensationseinrichtung (103) auf das optische Element (101) bewirkten Kompensationskraft im Vergleich zu einer analogen Anordnung ohne die Regelungsvorrichtung reduziert wird.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese ferner aufweist: • wenigstens zwei Aktoren, welche jeweils eine steuerbare Kraft auf das optische Element ausüben; • wobei wenigstens einer der Aktoren die steuerbare Kraft auf das optische Element (101) in der Richtung der Kompensationskraft erzeugt.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieser wenigstens eine Aktor in die Gewichtskraftkompensationseinrichtung (103) integriert ist.
Anordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der in Richtung der Kompensationskraft wirkende Aktor bzw. die Gewichtskraftkompensationseinrichtung (103) wenigstens eine mit einem elektrischen Strom beaufschlagbare Spule (241, 242) zur Erzeugung einer über wenigstens ein bewegliches Aktorelement auf das optische Element (101) übertragenen, aktiv steuerbaren Kraft aufweist.
Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieses wenigstens eine bewegliche Aktorelement ein zu dem Passivmagnetkreis gehörender Magnet (231, 232) ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (101) ein Spiegel ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens einem der Aktoren und dem optischen Element (101) eine mechanische Kopplung in solcher Weise ausgebildet ist, dass bezogen auf die Antriebsachse dieses Aktors das Verhältnis der Steifigkeit dieser mechanischen Kopplung in axialer Richtung zur Steifigkeit in lateraler Richtung wenigstens 100 beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens einem der Aktoren und dem optischen Element (101) eine mechanische Kopplung in solcher Weise ausgebildet ist, dass für diese mechanische Kopplung die Eigenfrequenz in axialer Richtung wenigstens das 3-fache der Bandbreite der Regelung beträgt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen wenigstens einem der Aktoren und dem optischen Element (101) eine mechanische Kopplung in solcher Weise ausgebildet ist, dass für diese mechanische Kopplung die Eigenfrequenz in axialer Richtung im Bereich von 600 Hz bis 1.800 Hz, insbesondere im Bereich von 800 Hz bis 1.400 Hz, weiter insbesondere im Bereich von 1.000 Hz bis 1.200 Hz, liegt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Kopplung einen mit zwei Kreuzgelenken (251, 252) versehenen Pin (250) aufweist.
Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Pin (250) ein erstes Teilelement, in welchem eines der beiden Kreuzgelenke (251) ausgebildet ist, sowie ein mit dem ersten Teilelement lösbar verbundenes zweites Teilelement aufweist, in welchem das andere der beiden Kreuzgelenke (252) ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teilelement fest am optischen Element (101) angebracht ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der beiden Kreuzgelenke (251, 252) bereichsweise hohl ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 10 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine bewegliche Aktorkomponente wenigstens eines der Aktoren an eine unbewegliche Aktorkomponente dieses Aktors über ein Parallelfedersystem (220, 260) mechanisch angekoppelt ist.
Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass für diese mechanische Ankopplung das Verhältnis der Steifigkeit in lateraler Richtung zur Steifigkeit in axialer Richtung wenigstens 3.000, insbesondere wenigstens 6.000, weiter insbesondere wenigstens 9.000, beträgt.
Anordnung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Parallelfedersystem (220, 260) eine Anordnung aus zwei Blattfedern (500, 600) aufweist, welche jeweils bezogen auf die Antriebsachse des Aktors tangential angeordnete Biegebalken (510, 520, 530; 610, 620, 630) aufweisen.
Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine dieser Blattfedern (600) in bezogen auf die Antriebsachse des Aktors radialer Richtung verlaufende Biegebalken (615, 625, 635) aufweist.