DE102013201081A1

DE102013201081A1 - Vorrichtung zur Lagerung eines optischen Bauelements

Info

Publication number: DE102013201081A1
Application number: DE201310201081
Authority: DE
Inventors: Ulrich SCHÖNHOFF; Markus Hauf; Bernhard Geuppert
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2014-03-13

Abstract

Zur Lagerung eines optischen Bauelements (2) sind zusätzlich zu rückwirkenden Regelungselementen (5, 6) inertiale Regelungselemente (3, 4) vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lagerung eines optischen Bauelements. Die Erfindung betrifft weiterhin ein optisches Bauelement mit einer derartigen Vorrichtung.
Zur Anordnung von optischen Bauelementen in optischen Systemen müssen diese gelagert werden. Es besteht fortwährend Bedarf, eine derartige Lagerung zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Der Kern der Erfindung besteht darin, zusätzlich zu mindestens einem rückwirkenden Referenz-Regelungselement, welches in kraftübertragender Weise mit einem Referenzrahmen verbunden ist, mindestens ein zusätzliches Regelungselement einzusetzen, welches in kraftübertragender Weise mit einer Hilfsmasse verbunden ist.
Hierdurch wird eine bessere Regelgüte ermöglicht. Insbesondere wird eine hohe Bandbreite der Regelung auch in Gegenwart von niederfrequenten flexiblen Eigenmoden des optischen Bauelements ermöglicht.
Bei den Regelungselementen handelt es sich um Aktoren und/oder Sensoren.
Die Vorrichtung umfasst vorzugsweise mehrere Referenz-Regelungselemente. Sie umfasst insbesondere mindestens drei Referenz-Aktoren, insbesondere mindestens sechs Referenz-Aktoren. Sie umfasst insbesondere mindestens drei Referenz-Sensoren, insbesondere mindestens sechs Referenz-Sensoren.
Als zusätzliche Regelungselemente sind insbesondere inertiale Regelungselemente, d. h. inertiale Sensoren und/oder inertiale Aktoren vorgesehen. Inertiale Regelungselemente nutzen eine Hilfsmasse. Inertiale Sensoren messen Weg, Geschwindigkeit oder Beschleunigung relativ zu dieser Hilfsmasse. Inertiale Aktoren leiten ihre Reaktionskräfte auf diese Hilfsmassen. Die inertialen Regelungselemente dienen der Aufbringung dynamischer Kräfte bzw. dem Messen dynamischer Bewegungen.
Vorzugsweise sind mehrere zusätzliche Regelungselemente, insbesondere mindestens drei, insbesondere mindestens vier, insbesondere mindestens sechs, insbesondere mindestens 10 zusätzliche Regelungselemente vorgesehen.
Vorzugsweise ist die Hilfsmasse, welche über das zusätzliche Regelungselement mit dem optischen Element verbunden ist, jeweils von dem mindestens einen Referenzrahmen mechanisch entkoppelt. Die Hilfsmasse ist insbesondere von sämtlichen Referenzrahmen mechanisch entkoppelt Hierdurch werden Stabilitätsprobleme der Regelung durch eine mögliche Koppelung mit dem Rahmen vermieden.
Das zusätzliche Regelungselement umfasst mindestens einen inertialen Aktor. Der inertiale Aktor kann als Piezo-, Lorentz- oder Maxwell-Aktor ausgebildet sein. Piezoaktoren sind besonders vorteilhaft, da sie einen sehr geringen Bauraum benötigen. Außerdem realisieren sie eine sehr geringe Verlustwärme. Im Falle von Lorentz- oder Maxwell-Aktoren ist die Hilfsmasse vorzugsweise mit einer zusätzlichen Feder am optischen Element gelagert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist in den inertialen Aktor ein Kraftsensor integriert. Als Kraftsensor dient vorzugsweise ein Piezo-Sensor oder ein Dehnungsmessstreifen. Ein derartiger Sensor ermöglicht eine sogenannte integrale Kraftrückkopplung (englisch: „integral force feedback”, IFF). Ein in den Aktor integrierter Kraftsensor ermöglicht insbesondere eine lokale Regelung, insbesondere eine Eingrößenregelung, welche auch als SISO (Englisch: „single input single output”, ein Eingang ein Ausgang) Rückkoppelung des Sensors auf den Aktor bezeichnet wird. Dies ist besonders bei einer lokalen Regelung nützlich.
Weiterhin kann das zusätzliche Regelungselement vorteilhafterweise mindestens einen inertialen Sensor umfassten. Es kann insbesondere mehrere, insbesondere mindestens zwei, insbesondere mindestens drei, insbesondere mindestens vier, insbesondere mindestens sechs inertiale Sensoren umfassen. Als inertiale Sensoren dienen insbesondere Beschleunigungssensoren und Geophone. Sie sind vorteilhafterweise vom Referenzrahmen entkoppelt. Vorteilhaft ist, dass sie nur einen geringen Bauraum benötigen. Sie sind auf einfache Weise integrierbar, da sie insbesondere keine mechanische Verbindung zum Referenzrahmen benötigen.
Die Referenz-Aktoren und Referenz-Sensoren bilden vorzugsweise Regelkreise zur Lageregelung des optischen Elements. Es sind insbesondere mindestens sechs Regelkreise vorgesehen. Es ist insbesondere jeweils mindestens ein Regelkreis für jeden translatorischen Freiheitsgrad und mindestens je ein Regelkreis für jeden rotatorischen Freiheitsgrad des optischen Bauelements vorgesehen.
Die Regelkreise können miteinander gekoppelt sein. Sie können insbesondere eine Mehrgrößenregelung (MIMO; multiple input multiple output), insbesondere eine 6×6 Mehrgrößenregelung darstellen. Hierbei sind insbesondere Transformationsmatrizen vorgesehen, welche die Sensorsignale in ein zur Regelung geeignetes Koordinatensystem transformieren. Entsprechend werden die Stellgrößen aus diesem Koordinatensystem in die Freiheitsgrade der Aktoren transformiert. Bei je einem Aktor und einem Sensor je Freiheitsgrad sind diese Transformationsmatrizen eindeutig bestimmt. Durch die Anordnung zusätzlicher Regelungselemente, insbesondere zusätzlicher Aktoren und/oder Sensoren, wird es ermöglicht, die Elemente der Transformationsmatrizen in einem gewissen Rahmen frei zu wählen. Dies kann dazu benutzt werden, die Magnitude bestimmter kritischer Resonanzen in bestimmten kritischen Regelungsachsen zu reduzieren und damit eine höhere Bandbreite zu ermöglichen. Ist die Anzahl der Aktoren größer als die Anzahl der Freiheitsgrade, wird dies als Regelungsarchitektur mit Überaktuierung bezeichnet. Ist die Anzahl der Sensoren größer als die Anzahl der Freiheitsgrade, wird dies als Regelungsarchitektur mit Übersensierung bezeichnet.
Alternativ hierzu können einzelne der Regelkreise auch paarweise entkoppelt, d. h. unabhängig voneinander, sein. Es ist auch möglich, sämtliche Regelkreise paarweise voneinander zu entkoppeln.
Alternativ bilden die zusätzlichen Regelungselemente einen Regelkreis zur aktiven Dämpfung der flexiblen Moden des optischen Bauelements. Dies kann entweder nur mit zusätzlichen Sensoren oder nur mit zusätzlichen Aktoren oder mit zusätzlichen Sensoren und zusätzlichen Aktoren realisiert werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist mindestens ein Aktor und mindestens ein Sensor zur Ausbildung eines Eingrößen-Regelkreises paarweise angeordnet. Es ist insbesondere möglich, sämtliche Aktoren und Sensoren jeweils paarweise zur Ausbildung eines Eingrößen-Regelkreises anzuordnen. Derartige Regelkreise werden auch als SISO-Regelkreise bezeichnet. Sie können eine unbedingte Stabilität der flexiblen Moden in den Regelkreisen ermöglichen. Es ist insbesondere wiederum eine integrale Kraftrückkopplung (IFF) möglich.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine kaskadierte Reglerarchitektur auf. Dies ist insbesondere zusammen mit einer aktiven Dämpfung der flexiblen Moden des optischen Bauelements vorteilhaft. Hierbei werden zunächst Regelkreise mit dem Zweck der Dämpfung der flexiblen Moden des optischen Elements geschlossen. In einem darauffolgenden Schritt werden die Referenz-Regelkreise zur Positionsregelung des optischen Bauelements geschlossen. Die aktive Dämpfung durch die zuerst geschlossenen Regelkreise reduziert hierbei die Magnitude der flexiblen Moden in den Übertragungsfunktionen des Lagerregelkreises und ermöglicht somit eine höhere Bandbreite.
Weiterhin oder alternativ kann die Vorrichtung vorteilhafterweise eine modellbasierte Regelungs-Einrichtung umfassen. Hierbei wird basierend auf einem dynamischen Modell der Regelstrecke ein Regler synthetisiert. Dieser Regler ist ein Mehrgrößensystem, das alle Sensoren als Eingänge und alle Aktoren als Ausgänge hat. Hierbei können vorzugsweise die Methoden der robusten Regelung, insbesondere die sogenannte μ-Synthese, zum Einsatz kommen, die es erlauben, Annahmen über die Unsicherheiten des Modells in die Synthese mit einzubeziehen.
Durch eine modellbasierte Regelung können strukturelle Beschränkungen der jeweiligen Architektur aufgelöst werden. Sie erleichtert außerdem den Umgang mit der Vielzahl von Reglerparametern der komplexen Architekturen. Weiterhin erlaubt sie die gezielte Optimierung der Güte des Regelkreises. Schließlich erlaubt sie die Berücksichtigung von zu erwartenden Parameterveränderungen.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, zumindest einen Teil der Sensoren und/oder Aktoren, insbesondere sämtliche Sensoren und/oder Aktoren, im Bereich eines Schwingungsknotens eines Eigenmodus des optischen Bauelements anzuordnen. Hierdurch kann die Bandbreite der Regelung erhöht werden.
Es ist auch möglich, mindestens zwei Aktoren und/oder Sensoren jeweils derart relativ zum optischen Bauelement anzuordnen, dass sich ihre Signale über die Sensor- bzw. Aktor-Transformationsmatrix aufheben.
Weiterhin kann vorgesehen sein, die Vorrichtung mit mindestens einem Beschleunigungssensor zu versehen, welcher mit dein mindestens einen Referenzrahmen mechanisch verbunden ist. Dies ermöglicht eine Beschleunigungsvorsteuerung. Durch eine derartige, zusätzliche Feed-Forward-Regelung kann die Rückkopplungs-Regelung entlastet und so die Positionsstabilität weiter verbessert werden. Dies ist insbesondere in Frequenzbereichen unterhalb der ersten flexiblen Eigenfrequenz vorteilhaft. In diesem Frequenzbereich verhält sich der Referenzrahmen, insbesondere der Sensor-Referenzrahmen, annähernd wie ein starrer Körper. Der mindestens eine Beschleunigungssensor ist vorteilhafterweise für eine Vorwärtsregelung (Feed-Forward-Regelung) in signalübertragender Weise mit mindestens einem Aktor verbunden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein optisches Bauelement zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 14 gelöst. Die Vorteile entsprechen den vorhergehend beschriebenen.
Vorzugsweise weist das optische Bauelement eine geometrische Ausbildung auf, derart, dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden Eigenfrequenzen eine Frequenzlücke von mindestens 500 Hz, insbesondere mindestens 500 Hz, insbesondere mindestens 1000 Hz, insbesondere mindestens 2000 Hz besteht. Zwei aufeinander folgende Eigenfrequenzen unterscheiden sich insbesondere um einen Faktor von mindestens 1,5, insbesondere mindestens 2, insbesondere mindestens 3. Eine derartige Frequenzlücke ermöglicht es, höherfrequente Moden durch Platzierung eines Tiefpassfilters in diesem Frequenzbereich zu unterdrücken.
Weiterhin kann vorgesehen sein, bestimmte Eigenmoden durch eine symmetrische Gestaltung des optischen Bauelements auszulöschen. Eine symmetrische Gestaltung des optischen Bauelements führt zu symmetrischen Eigenformen, die bei einer entsprechend symmetrischen Anordnung von Sensoren und/oder Aktoren die Auslöschung einer Mehrzahl von Eigenmoden ermöglicht.
Um auch bei Berücksichtigung von Toleranzen ein stets identisches Phasenverhalten sicherzustellen, kann es vorteilhaft sein, das optische Bauelement bewusst mit einer bestimmten Asymmetrie zu versehen und/oder die Sensoren bzw. Aktoren leicht asymmetrisch anzuordnen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele anhand der Figuren. Es zeigen:
1a bis 1c drei schematische Darstellungen unterschiedlicher Ausführungsformen inertialer Aktoren,
2a und 2b zwei schematische Darstellungen unterschiedlicher Ausführungsformen inertialer Sensoren,
3 bis 7 schematische Darstellungen unterschiedlicher Ausführungsformen und Anordnungen von Maxwell-Aktoren als rückwirkende Aktoren,
8 eine schematische Darstellung eines Regelungskreises für sechs Freiheitsgrade,
9 eine schematische Darstellung eines Regelungskreises für sechs Freiheitsgrade mit Überakturierung,
10 eine schematische Darstellung eines Regelungskreises für sechs Freiheitsgrade mit Übersensierung,
11 eine schematische Darstellung eines Regelungskreises für sechs Freiheitsgrade mit Übersensierung unter Verwendung von inertialen Sensoren,
12 eine schematische Darstellung eines Regelungskreises für sechs Freiheitsgrade mit aktiver Dämpfung mit zusätzlichen Sensoren und Aktoren,
13 eine schematische Darstellung eines Regelungskreises gemäß 12 ausschließlich mit zusätzlichen Aktoren,
14 eine schematische Darstellung eines Regelungskreises gemäß 12 ausschließlich mit zusätzlichen Sensoren,
15 eine schematische Darstellung eines Regelungskreises für sechs Freiheitsgrade mit kollokierten Sensoren und Aktoren,
16 eine schematische Darstellung eines Regelungskreises für sechs Freiheitsgrade mit aktiver Dämpfung mittels lokaler Regelung und kollokierten Sensoren und Aktoren,
17 eine schematische Darstellung einer modellbasierten zentralen Regelungseinrichtung für sechs Freiheitsgrade mit zusätzlichen Aktoren und Sensoren,
18 eine schematische Darstellung der Anordnung von vier Sensoren für drei translatorische Freiheitsgrade an einem optischen Bauelement,
19 eine Darstellung gemäß 18 mit einer alternativen Anordnung der Sensoren,
20 eine schematische Darstellung eines optischen Bauelements mit jeweils sechs rückwirkenden Sensoren und sechs rückwirkenden Aktoren und zusätzlichen rückwirkenden Aktoren und relativen Sensoren,
21 eine schematische Darstellung eines optischen Bauelements mit jeweils sechs rückwirkenden Aktoren und Sensoren und zusätzlichen inertialen Aktoren,
22 eine schematische Darstellung eines optischen Bauelements mit jeweils sechs rückwirkenden Aktoren und Sensoren und zusätzlichen inertialen Sensoren,
23 eine schematische Darstellung eines optischen Bauelements mit jeweils sechs rückwirkenden Aktoren und Sensoren und zusätzlichen inertialen Aktoren und inertialen Sensoren,
24 eine schematische Darstellung eines optischen Bauelements mit jeweils sechs rückwirkenden Aktoren und Sensoren und zusätzlichen inertialen Aktoren mit integrierten Kraftsensoren,
25 eine schematische Darstellung eines optischen Bauelements mit passiver Lagerung und Beschleunigungsvorsteuerung,
26 eine schematische Darstellung eines Regelungskreises zur aktiven Dämpfung passiver Komponenten und
27 eine schematische Darstellung eines Regelungskreises zur aktiven Dämpfung passiver Komponenten mit lokaler Regelung.
Im Folgenden wird eine Vorrichtung 1 zur Lagerung eines optischen Bauelements 2 beschrieben.
Vorab sei angemerkt, dass es sich bei dem optischen Bauelement 2 insbesondere um einen Spiegel, insbesondere in einem Lithographiesystem, insbesondere in einer Projektionsbelichtungsanlage für die Mikrolithographie, handelt. Die Vorrichtung 1 kann jedoch entsprechend zur Lagerung anderer optischer Bauelemente 2, insbesondere zur Lagerung von strahlformenden optischen Bauelementen, beispielsweise Linsen, verwendet werden. Ebenso kann die Vorrichtung 1 zur Lagerung einer Halteeinrichtung, insbesondere eines Aktor-Referenzrahmens 3 und/oder eines Sensor-Referenzrahmens 4, verwendet werden. Der Aktor-Referenzrahmen 3 wird auch als Kraft-Referenzrahmen bezeichnet.
Die Vorrichtung 1 dient beispielsweise der Positionierung des optischen Bauelements 2. Sie ermöglicht insbesondere eine hochpräzise Positionierung. Das Bauelement 2 kann insbesondere im Bereich einiger hundert μm und mrad positioniert werden. Weiterhin ermöglicht die Vorrichtung 1 eine hohe Positionsstabilität des optischen Bauelements 2 insbesondere bezüglich eines Sensor-Referenzrahmens 4. Die Stabilität kann insbesondere im Sub-Nanometer- bzw. nrad-Bereich liegen.
Weiterhin ermöglicht die Vorrichtung 1 eine gezielte Verformung des optischen Bauelements 2 bzw. die Verhinderung einer unerwünschten Verformung des optischen Bauelements 2.
Das optische Bauelement 2 weist insbesondere drei translatorische und drei Rotationsfreiheitsgrade auf. Zur Positionierung des optischen Bauelements 2 sind für jeden dieser Freiheitsgrade ein rückwirkender Aktor 5 und ein rückwirkender Sensor 6 vorgesehen. Der rückwirkende Sensor 6 wird auch als relativer Sensor bezeichnet.
Die rückwirkenden Aktoren 5 und relativen Sensoren 6 werden zusammenfassend als rückwirkende Referenz-Regelungselemente bezeichnet. Die rückwirkenden Aktoren 5 sind jeweils in kraftübertragender Weise mit einem Aktor-Referenzrahmen 3 verbunden. Die relativen Sensoren 6 sind jeweils in kraftübertragender Weise mit dem Sensor-Referenzrahmen 4 verbunden. Vorzugsweise sind sämtliche rückwirkende Aktoren 5 mit ein und demselben Aktor-Referenzrahmen 3 verbunden. Vorzugsweise sind sämtliche relative Sensoren 6 mit ein und demselben Sensor-Referenzrahmen 4 verbunden.
Der Aktor-Referenzrahmen 3 und der Sensor-Referenzrahmen 4 sind als separate, unabhängige Bauelemente ausgebildet. Sie können jedoch auch als ein einziges Bauelement ausgebildet sein. In diesem Fall ist der Sensor-Referenzrahmen 4 identisch zum Aktor-Referenzrahmen 3.
Als rückwirkende Aktoren 5 mit niedriger Steifigkeit sind vorzugsweise Lorentz-Aktoren und/oder Maxwell-Aktoren vorgesehen. Lorentz-Aktoren bieten die geringste Steifigkeit und die beste Linearität. Maxwell-Aktoren erlauben sehr kleine Bauräume und eine geringe Masse und Abmessung eines auf dem optischen Bauelement 2 anzubringenden Jochs 12.
Die relativen Sensoren 6 sind vorzugsweise als Encoder ausgebildet. Derartige Encoder bieten ausgezeichnete Stabilität, Auflösung und geringes Rauschen. Es ist jedoch ebenso möglich, als relative Sensoren 6 analoge Sensoren, beispielsweise kapazitive, Wirbelstrom-, induktive oder optische Sensoren zu verwenden.
Außerdem umfasst die Vorrichtung 1 mindestens ein zusätzliches Regelungselement, welches in kraftübertragender Weise mit einer Hilfsmasse 7 verbunden ist. Beim zusätzlichen Regelungselement handelt es sich um ein sogenanntes inertiales Regelungselement. Die Vorrichtung 1 kann mehrere zusätzliche Regelungselemente, insbesondere mindestens drei, insbesondere mindestens vier, insbesondere mindestens sechs, insbesondere mindestens 10 zusätzliche Regelungselemente aufweisen. Die Hilfsmasse 7 ist mechanisch von den Referenzrahmen 3 und 4 entkoppelt.
Das zusätzliche Regelungselement umfasst mindestens einen inertialen Aktor 8. Der inertiale Aktor 8 kann als Piezo-, Lorentz- oder Maxwell-Aktor ausgebildet sein. Piezoaktoren (siehe 1b und 1c) besitzen die zum statischen Tragen der Hilfsmasse 7 benötigte Steifigkeit. Bei Lorentz- und Maxwell-Aktoren ist vorgesehen, die Hilfsmasse 7 mit einer zusätzlichen Feder 9 zu lagern. Die Hilfsmasse 7 ist insbesondere mittels der Feder 9 mit dem optischen Bauelement 2 mechanisch verbunden.
In den inertialen Aktor 8 kann vorteilhafterweise, wie exemplarisch in der 1c dargestellt ist, ein Kraftsensor 10 integriert sein. Als Kraftsensor 10 dient insbesondere ein Piezo-Sensor oder ein Dehnungsmessstreifen. Ein derartiger Aktor 8 mit integriertem Kraftsensor 10 kann vorteilhafterweise für eine sogenannte integrale Kraft-Rückkopplungsregelung (englisch: Integral Force Feedback, IFF) verwendet werden.
Weiterhin ist vorgesehen, dass das zusätzliche Regelungselement mindestens einen inertialen Sensor 11 umfasst. Der inertiale Sensor 11 ist ebenfalls mit einer Hilfsmasse 7 mechanisch verbunden. Er kann insbesondere als Beschleunigungssensor ausgebildet sein. Er kann auch als Geschwindigkeits- oder Entfernungssensor ausgebildet sein. Auch die Ausbildung als Kraftsensor 10 (siehe beispielsweise 2b) ist möglich. Die inertialen Sensoren 11 können auch als Geophon ausgebildet sein. Die inertialen Sensoren 11 benötigen einen geringen Bauraum, da ihre Verwendung insbesondere im Bereich der Eigenmoden des optischen Bauelements 2 vorgesehen ist. Die Hilfsmasse 7, mit welcher die inertialen Sensoren 11 mechanisch verbunden sind, kann klein ausfallen. Die Hilfsmasse 7 beträgt insbesondere höchstens 1000 g, insbesondere höchstens 100 g, insbesondere höchstens 10 g, insbesondere höchstens 1 g. Das Verhältnis der Hilfsmasse 7 zur Masse des zu lagernden optischen Bauelements 2 beträgt insbesondere höchstens 1:100, insbesondere höchstens 1:1000, insbesondere höchstens 1:10000.
Die Sensoren 6, 11 weisen vorzugsweise eine hohe Stabilität und Auflösung und ein geringes Rauschen auf. Die Stabilität und/oder Auflösung der Sensoren 6, 11 liegt insbesondere im Sub-Nanometer-, vorzugsweise im Pikometerbereich.
Unterschiedliche Ausführungsformen von Maxwell-Aktoren, insbesondere rückwirkende Maxwell-Aktoren, sind in den 3 bis 7 dargestellt. Allgemein umfassen Maxwell-Aktoren, welche auch als elektromagnetische Aktoren bezeichnet werden, eine Spule 13, ein flussführendes Eisen 14 und das Joch 12. Die Spule 13 und das Eisen 14 sind mechanisch mit dem Referenzrahmen 3 verbunden. Das Joch 12 ist mechanisch mit dem optischen Bauelement 2 verbunden. Das Joch 12 ist insbesondere mit dem optischen Bauelement 2 mittels einer Verbindungsschicht 18 verklebt, verlötet oder verschweißt. Mittels eines magnetischen Flusses 15 durch das Joch 12 kann eine Kraft auf das optische Bauelement 2 ausgeübt werden.
Bestromte Maxwell-Aktoren weisen eine strom- und wegabhängige negative Steifigkeit auf. Diese kann in einem Arbeitspunkt durch eine zusätzliche mechanische Feder 9 zwischen dem Referenzrahmen 3 und dem optischen Bauelement 2 kompensiert werden (siehe 4).
Das Joch 12 kann zur Vermeidung von Deformationen des optischen Bauelements 2 aus Invar gefertigt und/oder segmentiert ausgebildet sein (siehe 5). Um eine bidirektionale Kraft aufbringen zu können, können die Maxwell-Aktoren differenziell, d. h. gegenüberliegend, angeordnet werden (siehe 6a und 6b). Sie können auch vorgespannt werden. Bei vertikalen Freiheitsgraden kann die Vorspannung über die Gewichtskraft G erreicht werden (siehe 7). Hierdurch wird gleichzeitig ein Gewichtskraftskompensator ersetzt.
Im Folgenden werden Aspekte der Regelungsarchitektur beschrieben. Bei den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen weist das Bauelement 2 jeweils sechs Freiheitsgrade auf. Entsprechende Regelungsarchitekturen sind jedoch auch für optische Bauelemente mit weniger als sechs Freiheitsgraden, insbesondere mit einem Freiheitsgrad, zwei, drei, vier oder fünf Freiheitsgraden oder mehr als sechs Freiheitsgraden möglich.
Zur Regelung der Positionierung des optischen Bauelements 2 sind sechs oder mehr Regelkreise vorgesehen. Es ist insbesondere für jeden Freiheitsgrad des optischen Bauelements 2 mindestens ein Regelkreis vorgesehen. Die Regelkreise sind im Allgemeinen miteinander gekoppelt. Sie stellen somit eine Mehrgrößenregelung dar. Sie stellen insbesondere eine 6×6 Mehrgrößenregelung dar. Um die veränderlichen statischen Kräfte auszubringen, und um die Position des optischen Bauelements 2 statisch bestimmt zum Sensor-Referenzrahmen 4 zu messen, sind mindestens sechs rückwirkende Aktoren 5 und mindestens sechs relativ messende Sensoren 6 vorgesehen. Es ist insbesondere jeweils zu jedem zu regelnden Freiheitsgrad mindestens ein Sensor 6 und ein Aktor 5 vorgesehen. Durch die zusätzlichen Aktoren 8 und/oder die zusätzlichen Sensoren 11 werden mehr Freiheiten eröffnet, die Eigenmoden des optischen Bauelements 2 durch die Regelung zu beeinflussen. Hierdurch wird es insbesondere möglich, die Begrenzung der Bandbreite durch die Eigenmoden zu verringern. Die Anzahl der zusätzlichen Sensoren und/oder Aktoren kann dabei von einem oder einigen wenigen bis zu mehr als zehn reichen. Die gezielte Anordnung der zusätzlichen Sensoren und/oder Aktoren relativ zum optischen Bauelement 2 wird weiter unten noch näher beschrieben.
Die zusätzlichen Sensoren 11 und/oder Aktoren 8 können auf verschiedene Weise regelungstechnisch genutzt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Eigenmoden des optischen Bauelements 2 für den Regelkreis nicht bzw. nur schwach sichtbar, d. h. nicht oder nur schwach steuerbar bzw. beobachtbar zu machen. Dies kann insbesondere durch die erfindungsgemäß vorgesehene Architektur der Überaktuierung und/oder Übersensierung sowie durch geeignete Anordnung der Sensoren und/oder Aktoren erreicht werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die gewonnene Freiheit dahingehend zu nutzen, dass die störenden Eigenmoden durch die Regelkreise gedämpft werden. Hierfür ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die störenden Eigenmoden gut steuerbar und beobachtbar sind, und eine bestimmte Phase aufweisen. Hierfür ist die nachfolgend noch näher beschriebene Architektur der aktiven Dämpfung und/oder der lokalen Rückführung vorteilhaft.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung 1 eine modellbasierte Regelungs-Einrichtung 16 (siehe 17). Mittels einer derartigen modellbasierten Regelungs-Einrichtung 16 können sämtliche vorhergehend aufgezählten Ansätze realisiert werden.
Im Folgenden wird das Prinzip der erfindungsgemäß vorgesehenen Überaktuierung und/oder Übersensierung beschrieben.
Bei einer Regelungsarchitektur mit sechs relativen Sensoren 6 und sechs rückwirkenden Aktoren 5 werden Transformationsmatrizen eingesetzt, die Signale der Sensoren 6 in ein zur Regelung geeignetes Koordinatensystem transformieren und die Stellgrößen wiederum aus diesem Koordinatensystem Freiheitsgrade der Aktoren 5 transformieren. Eine entsprechende Regelungsarchitektur ist exemplarisch in 8 dargestellt. Hierbei werden die Regler allgemein mit C bezeichnet (Englisch: „Controller”). Es handelt sich insbesondere um sogenannte PID-Regler (Proportional-Integral-Derivative). Diese weisen allgemein ein P-Glied, ein I-Glied und ein D-Glied auf. Sie können sowohl parallelstrukturiert als auch reihenstrukturiert sein. Gemäß der in 8 dargestellten Ausführungsform ist eine Aufspaltung in einen PD-Zweig (C_PD) zur Reglung eines hochfrequenten Anteils und eines I-Zweigs (C_I) zur Regelung eines statischen und/oder niederfrequenten Anteils vorgesehen. T bezeichnet allgemein die Transformation zwischen Signalen und verallgemeinerten Koordinaten. T_A bezeichnet insbesondere die kinematische Transformation der verallgemeinerten Koordinaten der Regelung in Aktorsignale. T_S bezeichnet insbesondere die kinematische Transformation der Sensorsignale in die verallgemeinerten Koordinaten der Regelung.
P bezeichnet die Regelstrecke (Englisch: „Plant”). In der konkreten Ausführung entspricht dies dem optischen Bauelement 2 mit den Sensoren 6 und Aktoren 5.
Bei einem optischen Bauelement 2 mit sechs mechanischen Freiheitsgraden sind diese 6×6 Transfomationsmatrizen eindeutig bestimmt. Hat man jedoch weitere Sensoren 11 und/oder Aktoren 8 zur Verfügung, so sind diese Matrizen nicht mehr eindeutig, und ihre Elemente können in einem gewissen Rahmen frei gewählt werden. Diese Situation wird auch als Übersensierung und/oder Überaktuierung bezeichnet. Diese Freiheit kann vorteilhafterweise genutzt werden, um die Magnitude bestimmter kritischer Resonanzen in bestimmten kritischen Regelungsachsen zu reduzieren und damit eine höhere Bandbreite zu ermöglichen. Eine exemplarische Darstellung der Reglungsarchitektur mit n_A zusätzlichen Aktoren 8, 5, ist in 9 dargestellt.
Eine Regelungsarchitektur mit n_S zusätzlichen Sensoren 11, 6 ist exemplarisch in 10 dargestellt.
Eine Regelungsarchitektur mit zusätzlichen inertialen Sensoren 11 ist in 11 exemplarisch dargestellt. Sind die zusätzlichen Aktoren und Sensoren als inertiale Aktoren 8 und/oder inertiale Sensoren 11 ausgebildet, wirken sie im Regelkreis ausschließlich dynamisch. In diesem Fall ist allgemein eine Frequenzweiche vorgesehen, welche die inertialen Aktoren 8 und/oder die inertialen Sensoren 11 ausschließlich bei hohen Frequenzen wirken lässt. Bei der Implementierung ist vorgesehen, den statischen I-Anteil des Reglers vom dynamischen PD-Anteil zu trennen. Der I-Anteil wirkt dann ausschließlich zwischen den relativ messenden Sensoren 6 und den rückwirkenden Aktoren 5. Der PD-Anteil kann zwischen allen Sensoren 6, 11 und Aktoren 5, 8 wirken.
Im Folgenden wird die Nutzung von zusätzlichen Aktoren 5, 8 und/oder Sensoren 6, 11 zur aktiven Dämpfung beschrieben. Zur aktiven Dämpfung können zusätzliche Sensoren 6, 11 und zusätzliche Aktoren 5, 8 vorgesehen sein (siehe 12). Es ist auch möglich, eine aktive Dämpfung ausschließlich mit zusätzlichen Sensoren 6, 11 (siehe 14) oder ausschließlich mit zusätzlichen Aktoren 5, 8 (siehe 13) zu realisieren. Die zusätzlichen Aktoren 5, 8 und/oder Sensoren 6, 11 können inertial oder relativ messen bzw. rückwirkend sein. Eine besondere Variante ist die sogenannte integrierte Kraftrückkopplung (Englisch: „Integral force feedback”, IFF), bei welchem Kraftsensoren 10 in Kombination mit einer lokalen Regelung verwendet werden.
Zur aktiven Dämpfung ist insbesondere eine kaskadierte Regelarchitektur vorgesehen. Hierbei werden zunächst Regelkreise mit dem Zweck der Dämpfung der flexiblen Moden des optischen Bauelements 2 geschlossen. In einem darauffolgenden Schritt wird ein 6×6 Regelkreis zur Positionsregelung des optischen Bauelements 2 geschlossen. Die aktive Dämpfung durch die zuerst geschlossenen Regelkreise reduziert die Magnitude der flexiblen Moden in den Übertragungsfunktionen des Lageregelkreises und ermöglicht somit eine höhere Bandbreite.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, Stabilitätsprobleme aufgrund flexibler Moden des optischen Bauelements 2 durch eine lokale Regelung zu vermeiden. Exemplarische Reglerarchitekturen sind in den 15 und 16 dargestellt. Zur lokalen oder dezentralen Regelung ist vorgesehen, die Regelkreise als Eingrößen-Regelkreise (Englisch: „Single input single output”, SISO) auszubilden. Hierbei wird jeweils ein Aktor 5, 8 und ein Sensor 6, 11 paarweise angeordnet. Mit anderen Worten wird bei der lokalen oder dezentralen Regelung SISO-Regelkreise immer nur von einem Sensor 6, 11 zu einem Aktor 5, 8 geschlossen. Hierfür ist vorgesehen, dass Sensor-Aktor-Paar am selben Ort mit der selben Wirkrichtung anzubringen. Dies wird auch als Kollokation des Sensors 6, 11 und Aktors 5, 8 bezeichnet. Eine derartige Konfiguration kann theoretisch unbedingte Stabilität der flexiblen Moden in den Regelkreisen ermöglichen.
Das Prinzip der lokalen Regelung, das heißt der Sensor-Aktor-Kollokation, kann sowohl auf die 6×6 Regelung (siehe 15) als auch auf die Erweiterung der 6×6 Reglung um weitere Sensor-Aktor-Paare und auf die aktive Dämpfung (siehe 16) angewandt werden. Gemäß einer weiteren, in 17 dargestellten Ausführungsform umfasst die Lagerungsvorrichtung 16 eine modellbasierte Regelungseinrichtung. Bei der modellbasierten Regelung, welche auch als Reglersynthese bezeichnet wird, wird basierend auf einem dynamischen Modell der Reglerstrecke ein Regler synthetisiert. Dieser Regler ist ein Mehrgrößensystem, der alle Sensoren 6, 11 als Eingänge und alle Aktoren 5, 8 als Ausgänge hat. Besonders eignen sich die Methoden der robusten Regelung, insbesondere die sogenannte μ-Synthese, die erlauben, Annahmen über die Unsicherheiten des Modells in die Synthese mit einzubeziehen.
Die modellbasierte Regelung kann die vorgenannten Reglerarchitekturen oder Teile von ihnen, oder beispielsweise die unterlagerte aktive Dämpfung ersetzen. Sie löst die strukturellen Beschränkungen der jeweiligen Architektur auf. Sie erleichtert den Umgang mit der Vielzahl von Reglerparametern der komplexen Architekturen durch ihren Entwurfsformalismus. Sie erlaubt die gezielte Optimierung der Performance des Regelkreises. Sie erlaubt die Berücksichtigung von zu erwartenden Parameterveränderungen, beispielsweise positions- oder zeitabhängigen Parameterveränderungen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, die erreichbare Bandbreite der Lageregelkreise des optischen Bauelements 2 durch gezielte mechanische, das heißt geometrische Gestaltung desselben zu erhöhen. Beispielsweise ist es möglich, die erste elastische Eigenfrequenz des optischen Bauelements 2 durch eine besonders schwache Ausbildung, insbesondere durch eine möglichst große Dicke des optischen Bauelements 2 möglichst hoch zu legen. Außerdem hat die Platzierung der Sensoren 6, 11 und/oder Aktoren 5, 8 einen großen Einfluss darauf, mit welcher Amplitude die flexiblen Moden in den Übertragungsfunktionen der Regelstrecke sichtbar sind. Erfindungsgemäß werden zwei Methoden vorgeschlagen, die Bandbreite des optischen Bauelements 2 zu erhöhen, welche im Folgenden beschrieben werden.
Zum einen ist es möglich, die ersten flexiblen Moden auszulöschen. Dies bedeutet, dass sie in allen oder zumindest einigen Übertragungsfunktionen nicht sichtbar sind. In diesem Fall kann die Bandbreite entsprechend erhöht werden. Eine Auslöschung flexibler Moden ist insbesondere bei einer Reglerarchitektur mit Überaktuierung und/oder Übersensierung vorgesehen. Bei den in den 18 und 19 dargestellten Ausführungsformen sind jeweils vier Aktoren und Sensoren für drei Freiheitsgrade vorgesehen.
Die Auslöschung eines bestimmten Modes kann dadurch erreicht werden, dass alle Sensoren 6, 11 und/oder alle Aktoren 5, 8 in den Schwingungsknoten des jeweiligen Modes platziert werden. Auf diese Weise lässt sich im Allgemeinen jedoch nur ein einzelner, bestimmter Mode auslöschen.
Eine weitere Möglichkeit besteht die Sensoren 6, 11 und/oder Altoren 5, 8 so zu platzieren, dass sich ihre Signale über die Sensor- bzw. Aktor-Transformationsmatrix aufheben. Dies ist im Allgemeinen für eine Achse und einen Mode möglich.
Weiterhin ist vorgesehen, bestimmte Moden durch symmetrische Gestaltung des optischen Bauelements 2 auszulöschen. Die Symmetrie führt zu symmetrischen Eigenformen, die bei entsprechend symmetrischer Anordnung der Sensoren 6, 11 und/oder Aktoren 5, 8 die Auslöschung einer Mehrzahl von Moden ermöglicht.
Die Auslöschung durch Sensoren 6, 11 in Schwingungsknoten eliminiert nun eine Mehrzahl von Moden. Die Aufhebung über die Sensor- bzw. Aktor-Transformationsmatrix kann nun auch auf mehreren Moden und Achsen wirken.
Da eine exakte Auslöschung von Moden praktisch nicht möglich ist, wird in der Übertragungsfunktion immer ein Paar von konjugiert komplexen Pol- und Nullstellen mit annähernd gleicher Frequenz sichtbar bleiben. Zielt man auf exakte Auslöschung, so wird die Reihenfolge und somit der Phasenverlauf des Frequenzganges dieses Paares nicht vorhersehbar sein. Dies kann zu Stabilitätsproblemen des Regelkreises führen. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, bewusst eine leichte Asymmetrie zu wählen, die auch unter Toleranzen immer zu denselben Phasenverhalten führt.
In den 18 und 19 sind exemplarisch zwei Ausführungsformen mit jeweils vier Sensoren S_i i = 1–4 für drei vertikale Freiheitsgrade dargestellt.
Die Konfiguration gemäß 18 eliminiert die erste zweite Biegeform und die erste Torsionseigenform des optischen Bauelements 2 durch Aufhebung der Sensorsignale über die Transformationsmatrix.
Die zugehörigen Vektoren q_S, welche die Auslenkungen an den Sensoren wiedergeben sowie die Vektoren q_L, welche die Auslenkungen an den Sensoren S_I transformiert in die Koordinaten der Regelung wiedergeben, sind zusammen mit der Transformationsmatrix T_S in folgender Übersicht zusammengestellt: • Sensortransformation
• Starrkörperbewegungen
• elastische Eigenmoden (1. und 2. Biegung und 1. Torsion)
• transformierte Starrkörperbewegungen und Eigenmoden
Die Konfiguration gemäß 19 eliminiert die ersten zwei Biegeformen des optischen Bauelements 2 durch Aufhebung der Sensorsignale über die Transformationsmatrix. Die erste Torsionseigenform wird durch Anordnung der Sensoren 6, 11 in ihren Schwingungsknoten eliminiert.
Eine Übersicht über die Vektoren q_S und q_L sowie der Transformationsmatrix T_S ist im Folgenden summarisch zusammengefasst. Höhere Eigenmoden mit derselben Symmetrie oder denselben Schwingungsknoten wie die genannten Moden werden ebenfalls eliminiert. • Sensortransformation
• Starrkörperbewegungen
• elastische Eigenformen
• transformierte Starrkörperbewegungen und Eigenmoden
Eine weitere erfindungsgemäß vorgesehene Möglichkeit, die Bandbreite des optischen Bauelements 2 zu erhöhen, besteht darin, die Symmetrie des optischen Bauelements 2 so zu gestalten, dass sich zwischen den ersten Eigenformen ein größerer Abstand zwei aufeinanderfolgender Eigenfrequenzen ergibt. Dieser Abstand wird auch als Frequenzlücke bezeichnet.
Diese Frequenzlücke kann auf zweierlei Weise genutzt werden: Ist die Frequenzlücke groß genug, kann dort ein schwach gedämpfter Tiefpassfilter platziert werden, sodass die Amplituden der auf der Frequenzlücke folgenden Eigenmoden soweit unterdrückt ist, dass sie die Stabilität und Regelgüte der jeweiligen Regelachse nicht mehr beeinflussen. Ist die Frequenzlücke nicht groß genug, kann die Phase des Tiefpassfilters so gestaltet werden, dass die auf die Frequenzlücke folgenden Moden vom Regler stabilisiert, das heißt gedampft werden. Bei lokaler Regelung mit kollkierten Sensoren 6, 11 und Aktoren 5, 8 wäre dies beispielsweise eine Phasendrehung um 360°.
Die vorhergehend beschriebene aktive Lagerung hat zur Aufgabe die Position des optischen Bauelements 2 mit geringst möglichen Abweichungen bezüglich einer Referenz, insbesondere dem Sensorreferenzrahmen 4 zu halten. Da der Sensor-Referenzrahmen 4 in Realität geringe Bewegungen aufgrund äußerer Störungen ausführt, besteht die Aufgabe der Regelung im Wesentlichen darin, die Position des optischen Bauelements 2 der zufälligen Bewegung des Sensor-Referenzrahmens 4 nachzuführen.
Die vorhergehend beschriebenen Ansätze erreichen dies durch eine Rückkopplungs-Regelung. Diese Rückkopplungs-Regelung kann durch eine zusätzliche Vorwärtsregelung entlastet werden. Hierdurch kann die Positionsstabilität weiter verbessert werden.
Eine Möglichkeit des Vorwärtsregelung ist das Messen der Starrkörperbeschleunigungen des Sensor-Referenzrahmens 4 mittels Beschleunigungssensoren 17 und ein Vorwärtssensoren zu den Aktoren 5, 8 des optischen Bauelements 2 mittels geeigneter kinematischer Transformationen der Signale. Die Aktoren 5, 8 stellen so genau die Kräfte, die zur Beschleunigung des optischen Bauelements 2 notwendig sind, um es der Bewegung des Sensor-Referenzrahmens 4 folgen zu lassen. Ein schematisches Schaltbild ist in 25 dargestellt.
Eine derartige Beschleunigungsvorsteuerung ist insbesondere im unteren Frequenzbereich, in welchem sich der Sensor-Referenzrahmen 4 annähernd wie ein starrer Körper verhält, möglich. Sie ist insbesondere für Frequenzen unterhalb der ersten flexiblen Eigenfrequenz des Sensor-Referenzrahmens 4 möglich.
Weiterhin kann vorgesehen sein, den erforderlichen Bauraum für die Regelung dadurch zu reduzieren, dass einige Freiheitsgrade passiv gelagert werden. Dies können insbesondere bauraumkritische und/oder schwer zu regelnde Freiheitsgrade sein. Die Anzahl der erforderlichen rückwirkenden Aktoren 5 und/oder relativen Sensoren 6 wird so reduziert.
Beispielsweise kann ein Schwerkraftkompensator eingespart werden, wenn man die vertikalen Freiheitsgrade passiv lagert.
Bei einer passiven Lagerung des optischen Bauelements 2 kann es zu einer Deformation des Sensor-Referenzrahmens 4 aufgrund der Gewichtskraft und/oder der Trägheitskraft des optischen Bauelements 2 kommen. Dies kann dadurch vermieden werden, dass das optische Bauelement 2 mit zusätzlichen Aktoren ausgestattet wird, welche sich am Aktor-Referenzrahmen 3 abstützen. Auf diese Aktoren kann eine Beschleunigungsvorsteuerung wie vorhergehend beschrieben angewendet werden.
Die Positionsstabilität lässt sich durch die vorhergehend beschriebene aktive Dämpfung mittels zusätzlicher Sensoren 6, 11 und Aktoren 5, 8 verbessern.
Die vorhergehend beschriebenen Möglichkeiten zur Lagerung des optischen Bauelements 2 und zur Regelung einer derartigen Lagerung lassen sich im Wesentlichen frei kombinieren. Im Folgenden werden noch einmal beispielhaft unterschiedliche Kombinationsmöglichkeiten stichwortartig aufgezählt.
Das optische Bauelement 2 kann mittels einer 6-Freiheitsgrad-Regel gelagert werden (siehe 8). Hierbei bilden die Aktoren 5 und Sensoren 6 jeweils Regelkreise.
Vorteilhaft kann eine Überaktuierung mit rückwirkenden Aktoren 5 vorgesehen sein.
Vorteilhaft kann eine Übersensierung mit zusätzlich relativen Sensoren 6 vorgesehen sein. Vorteilhaft kann auch eine komplett passive Lagerung des optischen Bauelements 2 sein.
Vorteilhaft kann auch eine Beschleunigungsvorsteuerung bei einem oder mehreren, insbesondere sämtlichen Freiheitsgraden sein. Dies ist insbesondere bei einer komplett aktiven Lagerung möglich.
Weiterhin werden erfindungsgemäß insbesondere die folgenden Möglichkeiten zur Lagerung des optischen Bauelements 2 vorgesehen.
Eine Überaktuierung mit inertialen Aktoren 8 ist besonders vorteilhaft, da sie die Integration erleichtert. Außerdem wird der Bauraumbedarf reduziert. Es ist insbesondere keine mechanische Verbindung zwischen den inertialen Aktoren 8 und dem Aktor-Referenzrahmen 3 erforderlich (siehe 9 und 21). Besonders vorteilhaft sind die inertialen Aktoren 8 als Piezoaktoren ausgebildet. Hierdurch kann der Bauraum minimiert werden. Außerdem führen diese zu einer äußerst geringen Verlustwärme.
Eine Übersensierung mit inertialen Sensoren 11 erleichtert ebenfalls die Integration und reduziert den Bauraumbedarf, da keine Verbindung zum Sensor-Referenzrahmen 4 erforderlich ist (10, 11 und 22).
Besonders vorteilhaft ist eine aktive Dämpfung (12 bis 14 und 20 bis 24). Hierzu sind zusätzliche Sensoren 6, 11 und/oder Aktoren 5, 8 vorgesehen. Diese können entweder inertial oder relativ bzw. rückwirkend sein. Zumindest ein Teil der zusätzlichen Sensoren 6, 11 und Aktoren 5, 8 können paarweise angeordnet, das heißt kollokiert sein. Dies ermöglicht eine lokale Regelung. Diese erleichtert es, in Gegenwart von flexiblen Moden des optischen Bauelements 2 stabile Regelkreise zu erhalten. Eine besondere Variante ist die Verwendung von inertialen Aktoren 8 mit integrierter Kraftmessung und lokaler Regelung. Dies wird auch als integrierte Kraftrückkopplung (IFF) bezeichnet.
In den 14 und 20 ist die Variante der aktiven Dämpfung mit zusätzlichen relativen Sensoren 6 dargestellt. In den 14 und 22 ist die Variante der aktiven Dämpfung mit zusätzlichen inertialen Sensoren 11 dargestellt. In den 13 und 20 ist die Variante der aktiven Dämpfung mit zusätzlichen rückwirkenden Aktoren 5 dargestellt. In den 13 und 21 ist die Variante der aktiven Dämpfung mit zusätzlichen inertialen Aktoren 8 dargestellt. In den 12 und 20 ist die Variante der aktiven Dämpfung mit zusätzlichen relativen Sensoren 6, zusätzlichen rückwirkenden Aktoren 5 und lokaler Regelung dargestellt. In den 12 und 23 ist die Variante der aktiven Dämpfung mit zusätzlichen inertialen Sensoren 11, zusätzlichen inertialen Aktoren 8 und lokaler Regelung dargestellt. In den 16 und 24 ist die Variante der aktiven Dämpfung mit inertialen Aktoren 8, Kraftsensoren 10 und integrierter Kraftrückkopplung (IFF) dargestellt.
Weiterhin ist die gemischte Verwendung von relativen Sensoren 6 und inertialen Sensoren 11 sowie von inertialen Aktoren 8 und rückwirkenden Aktoren 5 möglich. Dies ist in den Figuren nicht näher dargestellt.
Als besonders vorteilhaft hat sich die lokale Regelung erwiesen. Die lokale Regelung erleichtert es, in Gegenwart von flexiblen Moden des optischen Bauelements 2 stabile Regelkreise zu erhalten. Hierzu ist eine paarweise Anordnung der Sensoren 6, 11 und Aktoren 5, 8 vorgesehen. Die lokale Regelung kann entweder auf die minimal erforderlichen sechs Sensor-Aktor-Paare als auch auf Systeme mit mehr als sechs Sensor-Aktor-Paaren angewendet werden. Im letzten Fall ist insbesondere vorgesehen, dass der I-Zweig des Reglers nur für sechs Achsen geschlossen wird, um die statischen Kräfte statisch bestimmt aufzubringen. Es sind insbesondere die folgenden Varianten möglich:
In der 15 ist die lokale Regelung mit sechs Sensor-Aktor-Paaren dargestellt. In der 20 ist die lokale Regelung mit mehr als sechs Sensor-Aktor-Paaren dargestellt. In den 16 und 20 ist die aktive Dämpfung mit lokaler Regelung und zusätzlichen Sensor-Aktor-Paaren dargestellt. In den 16 und 23 ist die aktive Dämpfung mit lokaler Regelung und zusätzlichen inertialen Sensor-Aktor-Paaren dargestellt.
Weiterhin ist die gemischte Verwendung von relativen Sensoren 6 und inertialen Sensoren 11 sowie von rückwirkenden Aktoren 5 und inertialen Aktoren 8 möglich.
Weiterhin kann die Regelung der Lagerung des optischen Bauelements 2 durch dessen geometrisches Design, das heißt dessen geometrische Ausbildung verbessert werden. Hierbei hat sich insbesondere eine symmetrische Ausgestaltung des optischen Bauelements 2 als vorteilhaft erwiesen. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, das optische Bauelement derart auszubilden, dass ein großer Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Eigenfrequenzen besteht, sodass in diesem Frequenzbereich ein Tiefpassfilter zur Unterdrückung der höherfrequenten Moden platziert werden kann.
Vorhergehend wurde die aktive Dämpfung mit Aktoren 5, 8 und/oder Sensoren 6, 11 insbesondere mit inertialen Aktoren 5 und/oder inertialen Sensoren 11, im Hinblick auf die Lagerung des optischen Bauelements 2 beschrieben. Eine derartige Dämpfung lässt sich ebenfalls vorteilhaft auf die Lagerung des Aktor-Referenzrahmens 3 und/oder des Sensor-Referenzrahmens 4 anwenden (siehe 16, 26 und 27). Hierdurch kann die Regelung des optischen Bauelements 2 verbessert werden. Außerdem lassen sich hierdurch kritische Eigenmoden dämpfen. Es ist insbesondere auch möglich durch eine derartige Dämpfung eine Bewegung der Bildpunkte in einem Bildfeld, insbesondere die Bewegung des Bildes eines Retikels auf einem zu belichtenden Wafer in einer Projektionsbelichtungsanlage zu verhindern.
Zur Lagerung der Referenzrahmen 3, 4 können sämtliche vorhergehend beschriebenen Varianten, insbesondere die aktive Dämpfung und/oder die lokale Regelung durch Sensor-Akor-Paare, insbesondere die integrierte Kraftrückkopplung (IFF) verwendet werden.

Claims

Vorrichtung (1) zur Lagerung eines optischen Bauelements (2) umfassend a. mindestens ein rückwirkendes Referenz-Regelungselement (5, 6), i. welches jeweils in kraftübertragender Weise mit mindestens einem Referenzrahmen (3, 4) verbunden ist, und b. mindestens ein zusätzliches Regelungselement (8, 11), i. welches in kraftübertragender Weise mit einer Hilfsmasse (7) verbunden ist.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsmasse (7) mechanisch von dem mindestens einen Referenzrahmen (3, 4) entkoppelt ist.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliches Regelungselement mindestens ein inertialer Aktor (8) umfasst.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den inertialen Aktor (8) ein Kraftsensor (10) integriert ist.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine zusätzliche Regelungselement mindestens einen inertialen Sensor (11) umfasst.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenz-Regelungselemente (5, 6) Regelkreise bilden, wobei die Regelkreise miteinander gekoppelt sind.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Reglerarchitektur mit Überakturierung und/oder Übersensierung.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Regelungselemente (8, 11) Mittel zur aktiven Dämpfung von flexiblen Moden des optischen Elements (2) bilden.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Aktor (5, 8) und mindestens ein Sensor (6, 11) zur Ausbildung eines Eingrößen-Regelkreises paarweise angeordnet sind.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine kaskadierte Reglerarchitektur.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine modellbasierte Regelungs-Einrichtung (16) umfasst.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Sensoren (6, 11) und/oder Aktoren (5, 8) im Bereich eines Schwingungsknotens eines Eigenmodes des optischen Bauelements (2) angeordnet werden.
Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie außerdem mindestens einen Beschleunigungssensor (17) umfasst, welcher mit dem mindestens einen Referenzrahmen (3, 4) mechanisch verbunden ist.
Optisches Bauelement (2) mit einer Vorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Optisches Bauelement (2) gemäß Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine geometrische Ausbildung derart, dass sich zwei aufeinanderfolgende Eigenfrequenzen um einen Faktor von mindestens 1,5 voneinander unterscheiden.