DE102014103157B3

DE102014103157B3 - Justierbarer deformierbarer Spiegel zum Ausgleich von Aberrationen eines Strahlenbündels

Info

Publication number: DE102014103157B3
Application number: DE102014103157.1A
Authority: DE
Inventors: Jan Werschnik; Torsten Erbe
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2014-03-10
Filing date: 2014-03-10
Publication date: 2015-06-18
Anticipated expiration: 2034-03-11
Also published as: US9829702B2; IL247696B; CN106104360B; WO2015135648A1; US20170075111A1; CN106104360A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen justierbaren deformierbaren Spiegel (1) zum Ausgleich von Aberrationen eines Strahlenbündels mit einem Spiegelelement zur Reflexion einfallender Strahlen des Strahlenbündels, einem Grundkörper zur Halterung des Spiegelelements und mindestens einem Stellelement (4) zur Einleitung von Kräften (F) in das Spiegelelement, wobei das Spiegelelement ein Planelement (2) mit einer Dicke (d) von mindestens 1 mm ist und das Stellelement (4) ein Hebelgetriebe mit Hebelelementen (5) ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Ausgleich von Aberrationen eines Strahlenbündels (12.1, 12.2) sowie eine optische Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Spiegel (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen justierbaren deformierbaren Spiegel zum Ausgleich von Aberrationen eines Strahlenbündels sowie Verwendungen des Spiegels und Verfahren zum Ausgleich von Aberrationen unter Verwendung des Spiegels.
Unter dem Begriff Aberrationen wird nachfolgend zusammenfassend eine Vielzahl von Abbildungsfehlern verstanden. Ein solcher Abbildungsfehler ist beispielsweise der Astigmatismus. Abbildungsfehler (Aberrationen) können als Wellenfrontfehler erfasst werden, die sich wiederum mathematisch beschreiben lassen. Sehr häufig werden zur mathematischen Darstellung der Wellenfrontfehler die sogenannten Zernike-Polynome verwendet.
Die geraden Zernike-Polynome sind definiert durch: (ρ, ϕ) = R m / n(ρ)cos(mϕ) und die ungeraden Zernike-Polynome durch: Z –m / n(ρ, ϕ) = R m / n(ρ)sin(mϕ), wobei m und n nicht-negative ganze Zahlen sind, für die gilt: n ≥ m, ϕ ist der azimutale Winkel und ρ ist der normierte radiale Abstand.
Die Radialpolynome R m / n sind als
wenn n–m gerade ist und R m / n (ρ) = 0, wenn n–m ungerade ist, definiert.
Häufig werden Sie zu R m / n (1) = 1 normiert.
Dabei beschreibt der tiefgestellte Index n die radiale Ordnung des Polynoms. Der hochgestellte Index m beschreibt die meridionale Frequenz, d. h. die Anzahl der Schwingungsperioden der periodischen Wellenfrontfehler bei einem Umlauf (Wesemann, W., 2005: Mathematische Anmerkungen: Welche Beziehung besteht zwischen der normalen sphäro-zylindrischen Schreibweise von Korrektionsgläsern und den Zernike-Polynomen?, DOZ, 03-2005: 40–44).
Zur Korrektur von Abbildungsfehlern sind im Stand der Technik eine Vielzahl von Lösungen vorgeschlagen, von denen nachfolgend lediglich einige ausgewählte Lösungen kurz beschrieben werden.
Aus der DE 525 690 ist ein elastisch deformierbarer Metallhohlspiegel bekannt, der aus mehreren Sektoren zusammengesetzt ist. Dieser Metallhohlspiegel ist zwar nicht für die Verwendung in modernen hochwertigen optischen Anordnungen geeignet, lässt aber gut die Probleme zusammengesetzter Spiegel erkennen. An den sich überlappenden Rändern der Sektoren, die sich im optischen Pfad befinden und von einem einfallenden Strahlenbündel einer elektromagnetischen Strahlung beleuchtet werden, entstehen lokale Abbildungsfehler durch eine Unterbrechung der kontinuierlich verlaufenden reflektierenden Oberfläche der Sektoren. An den Rändern liegt eine abrupte Änderung der Oberfläche vor, an denen Beugung und damit Falschlicht entsteht. Als feldnahe Korrekturelemente sind sie ungeeignet, da sich die Unterbrechungen als Helligkeitsunterschiede im Bild bemerkbar machen würden.
Andere Lösungen, wie beispielsweise in der DE 100 49 296 B4 beschrieben, nutzen eine reflektierend beschichtete Membran, die durch eine Anzahl von Stellelementen punktuell verformbar ist. Dadurch ist zwar eine sehr feine Anpassung eines Oberflächenprofils der Membran an auszugleichende Aberrationen möglich, allerdings sorgen auch hier lokal auftretende Deformationen für mittel- bis hochfrequente Wellenfrontfehler, d. h. Zernikekoeffizienten mit n >= 8 haben signifikante und damit unerwünscht hohe Beiträge. Weiterhin ist die Membran oft sehr uneben, so dass diese erst sich selbst korrigieren muss. Der nicht korrigierte Anteil der Fertigungsunebenheit wird als zusätzlicher Fehler eingetragen.
Eine Vielzahl von selektiv ansteuerbaren Stellelementen wird auch bei einem aus der US 5 142 132 A bekannten deformierbaren Spiegelelement verwendet, um eine elektrisch gesteuerte Deformation zur Einstellung der Fokuslage und zur Korrektur von Aberrationsfehlern zu erreichen. Das Spiegelelement kann entweder aus einer einzelnen Fläche einer dünnen beschichteten Glasplatte oder aus vielen kleinen Spiegelsegmenten bestehen. Diese Art des deformierbaren Spiegels bringt jedoch ebenfalls die zuvor genannten Nachteile mit sich.
In der DE 698 01 731 T2 wird ein optisches System zur lithografischen Herstellung von integrierten Schaltungen beschrieben. Zur Korrektur von chromatischen Aberrationen wird eine kombinierte Optik mit speziell angepassten optischen Eigenschaften verwendet. Wegen der extrem energiereichen Strahlung wird vorgeschlagen, ein optisches Element aus einem speziellen amorphen Quarzglas und ein optisches Element aus einkristallinem Fluorit energiedichteabhängig an bestimmten Positionen des Strahlengangs anzuordnen.
Aus der EP 2 650 730 A2 ist eine Vorrichtung zum Ausgleich von Aberrationen bekannt, bei der in einem Spiegel elektrische Leiter eingeschlossen sind. Durch Anlegen elektrischer Spannungen und den Fluss elektrischer Ströme kann der Spiegel bereichsweise erwärmt und thermisch deformiert werden. Eine solche Lösung ist verhältnismäßig aufwendig hinsichtlich der Ansteuerung und seines Aufbaus und zudem nicht langzeitstabil. Sie muss zum Ausgleich von Aberrationen ständig aktiv betrieben werden.
Lösungen aus dem Stand der Technik, die beispielweise auf MEMS oder piezoelektrisch betriebenen Spiegeln basieren, haben typischerweise Restfehler in einem Bereich von > 10 nm RMS, die hochfrequent mit n >= 8; n >= m sind.
Mit einer Vorrichtung gemäß der US 2012/0275041 A1 kann ein Abbildungsfehler bekannten Ursprungs und einer bekannten Fortpflanzung innerhalb eines optischen Instruments korrigiert werden. Dazu wird ein deformierbarer Spiegel in den optischen Pfad der Anordnung eingebracht, entlang dem sich Strahlenbündel einer elektromagnetischen Strahlung ausbreiten. Auf die Ränder des deformierbaren Spiegels können mittels geeigneter Stellelemente Kräfte aufgebracht und in den Spiegel eingeleitet werden, so dass dieser entsprechend seiner bekannten Geometrie und Kontur sowie dem Ort der Krafteinleitung und den Vektoren (Betrag, Richtung) der eingeleiteten Kräfte deformiert wird. Durch die so bewirkte Deformation des Spiegels und dessen dadurch lokal verändertes Reflexionsverhalten infolge optischer Wegunterschiede ist eine Korrektur auftretender Wellenfrontfehler ermöglicht. Krafteinleitungen über die gesamte Ausdehnung des Spiegels werden in der vorgenannten US 2012/0275041 A1 als nachteilig beschrieben. Durch ein allein seitliches Einleiten kann ein Deformationsprofil der Oberfläche des Spiegels dadurch eingestellt werden, indem die Kräfte hinsichtlich Betrag und Ort der Einleitung gesteuert in den Spiegel eingeleitet werden. Durch Überlagerungen der jeweiligen Kräfte und der durch diese bewirkten Deformationen des Spiegels kann eine recht große Anzahl an Deformationsprofilen eingestellt werden. Zwar können mit dieser Lösung lediglich lokal auftretende kleinräumige Deformationen weitestgehend vermieden werden; die Art der einstellbaren Deformationsprofile ist jedoch bei einem seitlichen Einleiten der Kräfte recht begrenzt.
Einem ganz ähnlichen Prinzip folgt die Vorrichtung, die in der DE 10 2007 010 906 A1 vorgeschlagen ist. Ein optisches Element (Spiegel) ist durch die Wirkung einer Stelleinrichtung (fortan: Stellelement) an seinen Rändern kontaktiert und kann durch entsprechende Zustellbewegungen des Stellelements gebogen werden. Auch bei dieser Lösung treten die vorgenannten Nachteile hinsichtlich der einstellbaren Arten von Deformationsprofilen auf. Zudem ist ein solcher Spiegel für Verwendungen in sehr hochauflösenden optischen Anordnungen nicht geeignet, da keine hinreichend scharfen Abbildungen erzielbar sind.
In einer aus der DE 601 16 322 T2 bekannten Vorrichtung werden Aberrationen ebenfalls mittels Krafteinleitung auf einen Spiegel kompensiert. Zur Krafteinleitung sind mindestens ein aktives Stellelement und zwei sogenannte Kraftstangen vorhanden. Die Kraftstangen weisen mindestens zwei punktuell am Randbereich des Spiegels angreifende und in Abschnitten des Spiegels verteilt angeordnete Enden auf. Durch die punktuelle Krafteinleitung im Randbereich des Spiegels sind wie in den beiden zuvor genannten Lösungen die einstellbaren Arten von Deformationsprofilen begrenzt.
Aus der US 7 229 178 B1 ist ein deformierbarer Spiegel bekannt, dessen kreisförmige oder ovale Spiegelplatte über eine innere (kleinere) und eine äußere (größere) ringförmige Auflage parabolisch gebogen werden kann. Dazu ist der Spiegel zwischen der ringförmigen Auflage aufgenommen. Die hierzu erforderliche Kraft wird über ein mechanisches Stellelement eingeleitet. Das Stellelement wirkt direkt oder indirekt über einen Hebel auf eine der ringförmigen Auflagen ein. Die Einleitung über die ebenen und parallelen ringförmigen Auflagen erfolgt stets zentrisch zur Symmetrieachse des Spiegels. Die Aufnahme des Spiegels besteht aus einer auffallend hohen Anzahl an aufwändig konstruierten Einzelteilen, sodass von einem sehr hohen Fertigungs- und Montageaufwand der Aufnahme auszugehen ist.
Abbildungsfehler können wie vorstehend beschrieben innerhalb von optischen Einheiten auftreten und dort ausgeglichen werden. Eine besondere Situation besteht bei der Montage optischer Systeme (fortan: optische Anordnungen) aus mehreren optischen Einheiten. Selbst wenn die einzelnen optischen Einheiten an sich strenge Qualitätskriterien erfüllen, kann es bei einer optischen Anordnung mit mehreren optischen Einheiten vorkommen, dass Abbildungsfehler der gesamten optischen Anordnung auftreten. So können durch eine Summation von Abbildungsfehlern der einzelnen optischen Einheiten, die jeder für sich innerhalb zulässiger Toleranzgrenzen liegen, ein oder mehrere unzulässige Abbildungsfehler der optischen Anordnung auftreten. Außerdem können unzulässige Abbildungsfehler der optischen Anordnung durch endlich genaue Justage der einzelnen optischen Einheiten und durch Fluktuationen, z. B. Dichteunterschiede und/oder Strömungen, eines im optischen Pfad befindlichen Mediums, z. B. Gas oder Gasgemisch, hervorgerufen werden. Die genannten Nachteile sind durch den bekannten Stand der Technik nicht zufriedenstellend zu beheben. So treten Wellenlängenänderungen bei einem Austausch der Lichtquelle oder Temperatur- und Druckeffekte durch Unterschiede zwischen einem Aufstellort und dem Ort der Herstellung und Qualitätsprüfung optischer Einheiten auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen deformierbaren Spiegel zum Ausgleich von Aberrationen und ein Verfahren zum Ausgleich von Aberrationen vorzuschlagen, bei denen die Nachteile des Standes der Technik reduziert sind.
Diese Aufgabe wird für einen justierbaren deformierbaren Spiegel (fortan auch kurz: Spiegel) zum Ausgleich von Aberrationen eines Strahlenbündels einer sich entlang eines optischen Pfads ausbreitenden elektromagnetischen Strahlung mit einem Spiegelelement zur Reflexion einfallender Strahlen des Strahlenbündels, einem Grundkörper zur Halterung des Spiegelelements und mindestens einem Stellelement zur Einleitung von Kräften in das Spiegelelement gelöst. Bei einem erfindungsgemäßen Spiegel ist das Spiegelelement ein Planelement mit zwei zueinander parallel verlaufenden Seitenflächen, wobei eine der Seitenflächen dem Grundkörper und die andere Seitenfläche dem optischen Pfad zugewandt ist. Das Spiegelelement weist eine Dicke von mindestens einem Millimeter (1 mm) zwischen den parallelen Seitenflächen auf. Außerdem ist das Stellelement ein Hebelgetriebe mit Hebelelementen mit einem ersten Hebelarm und einem zweiten Hebelarm, wobei der erste Hebelarm entlang eines ersten Zustellwegs und der zweite Hebelarm entlang eines zweiten Zustellwegs beweglich ist und deren Hebelarmverhältnisse so gestaltet sind, dass die Länge des zweiten Zustellwegs höchstens ein Fünftel, vorzugsweise höchstens ein Zehntel der Länge des ersten Zustellwegs beträgt und durch den zweiten Hebelarm Kräfte auf das Planelement übertragbar sind.
Dabei ist das Stellelement so ausgestaltet, dass durch dieses übertragene Kräfte symmetrisch in das Planelement einleitbar sind. Das Stellelement ist monolithisch und zu einer Symmetrieachse spiegelsymmetrisch aufgebaut. Es weist neben den ersten und zweiten Hebelarmen einen zentral angeordneten verwindungssteifen Block, ein elastisch deformierbares Element zur Einleitung einer Kraft in das Stellelement und ein biegsames Übertragungselement zur Einleitung der Kraft in das Planelement auf. In dem Block ist ein Ausgleichsblock vorhanden. Dieser ist ebenfalls ein Bestandteil des Stellelements und ist von dem Block durch Schlitze nahezu vollständig getrennt. Nur über einen schmalen Verbindungssteg ist der Ausgleichsblock mit dem Block verbunden. Im Bereich des Verbindungsstegs ist der Ausgleichsblock um eine vierte Drehachse schwenkbar. Durch eine solche Gestaltung können Kräfte, die unter einem Winkel ungleich 90 Grad auf das Stellelement einwirken, infolge einer ausgleichend wirkenden Drehbewegung des Ausgleichsblocks im Zusammenwirken mit den vorgenannten Elementen des Stellelements symmetrisch in das Planelement eingeleitet werden.
Das Stellelement kann vorteilhaft über Anformungen wie beispielsweise Stege oder Stempel mit der zweiten Seitenfläche in Verbindung stehen. Dabei ist das Stellelement vorzugsweise so ausgelegt, dass eine Kraft, die auf das Stellelement aufgebracht ist, durch das Zusammenwirken der Elemente des Stellelements symmetrisch, d. h. mit etwa gleichen Beträgen und Richtungen auf die Anformungen geführt und über diese in das Planelement eingeleitet wird.
Der erfindungsgemäße Spiegel ist insbesondere zur Verwendung in hochwertigen optischen Anordnungen, wie beispielsweise in einem in der US 2013/0235255 A1 beschriebenen System zur multispektralen Bildgebung, sowie zur Verwendung in Umgebungen mit hohen bis höchsten Ansprüchen an geringe Emissionen von Ausgasungen, Staub und mechanischem Abrieb (Reinräume) vorgesehen. Die erforderlichen Dimensionierungen des erfindungsgemäßen Spiegels für eine Verwendung für Spiegel astronomischer Teleskope sowie im Bereich der Mikro- und Nanooptiken sind nicht oder nur mit erheblichem Aufwand zu erreichen. Deshalb ist eine Verwendung für diese technischen Gebiete nicht vorgesehen.
Der erfindungsgemäße Spiegel ist langzeitstabil, deterministisch, gut einstellbar, hält seinen Zustand im stromlosen Zustand und zeichnet sich durch geringe Betriebs- und Herstellungskosten aus.
Das Planelement (Spiegelelement) weist die beiden Seitenflächen und, je nach Kontur des Planelements, eine oder mehrere Stirnflächen auf. Ist das Planelement beispielsweise kreisförmig oder oval, ist eine umlaufende Stirnfläche vorhanden. Ist das Planelement beispielsweise rechteckig, weist das Planelement vier Stirnflächen auf.
Das mindestens eine Stellelement ist vorzugsweise derart gestaltet, dass eine Einleitung von Kräften nicht, bzw. in weiteren Ausführungen eines erfindungsgemäßen Spiegels nicht ausschließlich über die Stirnflächen erfolgt. Dazu ist das mindestens eine Stellelement vorzugsweise an der dem optischen Pfad abgewandten Seitenfläche angeordnet. Eine Einleitung von Kräften erfolgt vorzugsweise an dieser dem optischen Pfad abgewandten Seitenfläche. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Kräfte an mehreren Stellen der Seitenfläche oder flächig eingeleitet werden, so dass eine großflächige Verspannung des Planelements bewirkt wird. Sehr vorteilhaft an dem erfindungsgemäßen Spiegel ist eine Kombination von Deformationen eines recht dicken Planelements durch Biegungen und Verspannungen mit der grundsätzlichen Möglichkeit einer Krafteinleitung an jedem Ort des Planelements. Ein Stellelement weist vorzugsweise Hebelelemente sowie einen Stellantrieb auf. Durch die Hebelelemente werden Zustellbewegungen des Stellantriebs übersetzt und in das Planelement eingeleitet.
Möglich ist beispielsweise, dass eine Anzahl von Stellelementen wie piezoelektrische Elemente oder rein mechanisch wirkende Stellelemente wie Zylinder oder Druckstifte angeordnet sind. Vorzugsweise sind das mindestens eine bzw. die Anzahl von Stellelementen mit einer Steuerung verbunden, durch die jedes der Stellelemente individuell ansteuerbar ist. Eine Steuerung des oder der Stellelemente erfolgt vorzugsweise unter Nutzung von Messwerten mindestens eines Sensors, aus dessen Messwerten erforderliche Steuersignale ableitbar sind.
Unter einem Deformationsprofil wird im Sinne der Beschreibung die Gestaltung der Oberfläche der dem optischen Pfad zugewandten Seitenfläche des Planelements verstanden. Ein Deformationsprofil kann hervorgerufen werden, indem Kräfte in das Planelement geleitet werden, wobei Kräfte positiv (Belastung) oder negativ (Entlastung) sein können. Es ist auch möglich, dass durch das Stellelement oder durch einzelne Stellelemente keine Kraft eingeleitet wird, z. B. bei festgestellten Aberrationen, deren Messwerte aber innerhalb zulässiger Toleranzgrenzen liegen.
Eine vorteilhafte Ausführung eines Stellelements besteht darin, dass dieses flächig an der dem optischen Pfad abgewandten Seitenfläche anliegt und mit dieser mechanisch (z. B. stoffschlüssig, kraftschlüssig) verbunden, z. B. verklebt, gelötet oder geklemmt ist oder mit dieser in engem räumlichen Kontakt steht, beispielsweise spaltfrei an dieser anliegt. Bei einer Deformation des Stellelements werden dessen Deformationen in einem bestimmten Verhältnis auf das Planelement übertragen. In einer günstigen Ausgestaltung kann der Grundkörper selbst oder Teile des Grundkörpers als Stellelement ausgebildet sein. So kann der Grundkörper ein Festkörpergelenk sein. Bei einem Festkörpergelenk sind Bewegungen wie Biegungen, Torsionen und Verschiebungen um Achsen von Teilen des als Festkörpergelenk dienenden Körpers möglich. Das Festkörpergelenk kann in weiteren Ausführungen durch eine Kinematik mehrerer zusammenwirkender (Festkörper-)Gelenke gebildet sein.
Ein Festkörpergelenk kann beispielsweise durch Erodieren einfach hergestellt werden. Beispielsweise kann das Festkörpergelenk aus einem kompakten Körper eines Ausgangsmaterials (monolithisch) hergestellt werden. Dadurch wird eine vorteilhafte Beschränkung auf eine möglichst geringe Anzahl verwendeter Materialien erreicht.
Vorzugsweise ist durch entsprechende Materialauswahl der thermische Ausdehnungskoeffizient des Stellelements an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Planelements angepasst, sodass thermisch bedingte Materialspannungen stark reduziert oder ganz vermieden sind.
Es ist in weiteren Ausführungen des erfindungsgemäßen Spiegels auch möglich, Kräfte lokal an der dem optischen Pfad abgewandten Seitenfläche in das Planelement einzuleiten. Aufgrund der Dicke des Planelements treten selbst bei einer lokalen Einleitung von Kräften keine lokal begrenzten Deformationen mit abrupten Übergängen zwischen verschiedenen Bereichen des Deformationsprofils, insbesondere keine Kanten, kleinräumige Rippen mit gegebenenfalls geringem Abstand zueinander, auf. Es wird stattdessen ein Deformationsprofil des Spiegels mit kontinuierlich verlaufenden Übergängen zwischen verschiedenen Bereichen des Deformationsprofils erzeugt.
Neben dem Stellelement kann ein separater Grundkörper zur Halterung des Planelements vorhanden sein. Der Grundkörper kann beispielsweise ein Gerüst sein, an dem das Planelement gehalten ist.
Eine sehr günstige technische Wirkung des erfindungsgemäßen Spiegels ist dadurch erreicht, dass mit diesem eine einmalige Einstellung einer optischen Anordnung zum Zwecke des Ausgleichs wenigstens eines Abbildungsfehlers ermöglicht ist. Diese einmalige Einstellung der optischen Anordnung kann auch als (quasi-)statische Einstellung bzw. als (quasi-)statischer Ausgleich von Aberrationen bezeichnet werden und kann manuell erfolgen.
In weiteren Ausgestaltungen ist ein dynamischer Ausgleich von Aberrationen ermöglicht, indem kontinuierlich oder in bestimmten Intervallen Messwerte erfasst, ausgewertet und gegebenenfalls durch die Steuerung eine entsprechende Zustellung des mindestens einen Stellelements auf die dem optischen Pfad abgewandte Seitenfläche zu, bzw. von dieser weg, bewirkt wird.
Das Stellelement wird vorzugsweise manuell betätigt. Dadurch kann auf kostenintensive Antriebe wie Motoren verzichtet werden. Außerdem erfordern zusätzliche Elemente wie Motoren, Getriebe usw. einen zusätzlichen konstruktiven Aufwand, insbesondere dann, wenn der Spiegel unter Reinraumbedingungen eingesetzt werden soll. In einem solchen Fall sind Beeinträchtigungen, beispielsweise durch Abrieb sowie durch sogenannte VOC-s (volatile organic compounds, flüchtige organische Verbindungen), so weit wie möglich einzuschränken.
Die dem optischen Pfad zugewandte Seitenfläche des Planelements bzw. des Spiegels weist vorzugsweise eine Irregularität von weniger als 6 nm RMS (ISO 11010-5, ISO 14999:2007, 3.3; ISO 10110-5:2008-12; ISO 10110-5: 2007; ISO 10100-14-2007) auf. Diese Irregularität (Oberflächenformabweichungen) weist das Planelement nach seiner Herstellung in einem Ausgangszustand auf. Das Planelement ist also ein sehr hochwertiges optisches Bauteil. Durch Deformationen des an dem Spiegel montierten Planelements sind dann Aberrationen ausgleichbar, die größer als 6 nm, beispielsweise bis 20 nm RMS, sein können.
Das Planelement kann aus nur einer einzigen Schicht bestehen.
In weiteren Ausgestaltungen kann das Planelement mit einer oder mehreren Schichten versehen sein, die reflektiv wirken. Außerdem können durch eine oder mehrere Schichten Filterfunktionen bewirkt sein.
Das Material des Planelements ist beispielsweise Quarzglas, ein glaskeramischer Werkstoff wie Zerodur^®, ein Titan-Silikat-Glas wie ULE^® Glass, Kalziumfluorid (CaF₂), ein Borosilikatglas wie z. B. das Glas mit der Bezeichnung S-BSL7 der OHARA GmbH oder ein Kronglas wie z. B. das Borosilikat Kronglas N-BK7^® der SCHOTT AG.
Es ist sehr vorteilhaft, wenn ein erfindungsgemäßer Spiegel aus möglichst wenigen Einzelelementen besteht. Die Anzahl der Elemente ist beispielsweise reduziert, wenn das Planelement aus nur einer Schicht besteht und der Grundkörper zugleich als Stellelement fungiert und als ein Festkörpergelenk ausgebildet ist. Mit der Reduktion der Anzahl von Einzelelementen ist der erfindungsgemäße Spiegel beispielsweise in Reinräumen einsetzbar.
Insbesondere für einen statisch erfolgenden Ausgleich von Aberrationen ist es vorteilhaft, wenn die einzuleitenden Kräfte sehr genau einstellbar sind und über lange Zeiträume von einigen Tagen bis einigen Monaten präzise eingehalten werden können. Dazu weist in einer vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Spiegels das Stellelement Hebelelemente mit Hebelarmen auf, deren einer Hebelarm entlang eines ersten Zustellwegs und deren zweiter Hebelarm entlang eines zweiten Zustellwegs beweglich ist und deren Hebelarmverhältnisse so gestaltet sind, dass die Länge des zweiten Zustellwegs höchstens die Hälfte, vorzugsweise aber höchstens ein Zehntel der Länge des ersten Zustellwegs beträgt und durch den zweiten Hebelarm Kräfte auf das Spiegelelement übertragbar sind. Der erste Hebelarm und der zweite Hebelarm wirken im Sinne des Hebelgesetzes zusammen.
Ein erfindungsgemäßer Spiegel ist vorteilhaft zum Ausgleich von Aberrationen eines Strahlenbündels einer elektromagnetischen Strahlung im Wellenlängenbereich kleiner 410 nm, insbesondere im Wellenlängenbereich der DUV-Strahlung, verwendbar.
Dabei lässt sich ein erfindungsgemäßer Spiegel sehr günstig zum Ausgleich von Astigmatismus, insbesondere auf einer optischen Achse, verwenden. Durch das einstellbare und kontinuierlich verlaufende Deformationsprofil ist der erfindungsgemäße Spiegel sehr gut zum Ausgleich von Aberrationen, die mittels der Zernike-Polynome mit den Variablen m und n beschrieben werden können, geeignet. Dabei wird der Ausgleich vorzugsweise für Aberrationen bis |m| < 4 und |n| ≤ 4 oder deren Linearkombinationen durchgeführt. Somit sind mittels der erfindungsgemäßen Verwendung des ebenfalls erfindungsgemäßen Spiegels Veränderungen (Deformationen) des Deformationsprofils bewirkt, durch die niederfrequente Aberrationen ausgleichbar sind. Entsprechendes gilt, wenn abweichende Polynome oder andere Basisfunktionen wie Fourier-Reihen, Laguerre-, Hermite-, Besselfunktionen oder andere Funktionensysteme verwendet werden.
Durch einen erfindungsgemäßen Spiegel ist ein Ausgleich von Aberrationen möglich, bei dem noch vorhandene Restfehler niederfrequent (|m| < 4 und |n| ≤ 4) und mindestens 6-fach kleiner als (i. d. R. hochfrequente) Restfehler sind, die nach Lösungen des Standes der Technik erhalten werden.
Durch einen erfindungsgemäßen Spiegel ist eine Reduktion der Freiheitsgrade auf eine möglichst geringe Anzahl erreicht. Da der Fokus eines optischen Systems bzw. einer optischen Anordnung meist extern eingestellt werden kann, ist der betragsmäßig nächstgrößere Fehler der Astigmatismus. Dieser ist mittels des erfindungsgemäßen Spiegels sehr präzise (beispielsweise 1 nm RMS), genau und reproduzierbar (z. B. 2 nm RMS Wellenfrontfehler) einstellbar.
Eine sehr günstige Verwendung eines erfindungsgemäßen Spiegels ist gegeben, wenn der Spiegel zwischen optischen Einheiten einer optischen Anordnung angeordnet wird. Dabei werden vorzugsweise die oben genannten Aberrationen, insbesondere Astigmatismus, ausgeglichen.
Eine optische Einheit ist beispielsweise ein eigenständiges optisches Modul wie z. B. eine Strahlungsquelle zur Bereitstellung eines Strahlenbündels einer elektromagnetischen Strahlung, eine abbildende Optik, z. B. eine Anordnung zum Fokussieren von Strahlenbündeln einer elektromagnetischen Strahlung oder eine Anordnung von Filtern und z. B. eines Sensors. Eine optische Einheit besteht aus wenigstens zwei optischen Elementen, wie z. B. optischen Linsen, Reflektoren, Kollimatoren und so weiter.
Dabei ist der erfindungsgemäße Spiegel nur zum Ausgleich der Aberrationen und gegebenenfalls noch zur Strahlumlenkung vorgesehen. Er kann bei optischen Anordnungen mit gefaltetem optischen Pfad anstelle eines oder mehrerer Umlenkelemente wie z. B. Umlenkspiegel angeordnet sein.
Die Aufgabe wird außerdem für ein Verfahren zum Ausgleich von Aberrationen eines Strahlenbündels einer elektromagnetischen Strahlung entlang eines optischen Pfads gelöst. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:

a) Bereitstellen entweder mindestens zweier optischer Einheiten oder mindestens zweier optischer Elemente,
b) Bereitstellen eines erfindungsgemäßen Spiegels,
c) Anordnen des Spiegels zwischen den optischen Einheiten bzw. zwischen den optischen Elementen in dem optischen Pfad,
d) Erfassen von Aberrationen des Strahlenbündels als ortsaufgelöste Messwerte,
e) Berechnen von ortsaufgelösten Verformungen des Spiegels, die für einen Ausgleich der Aberrationen erforderlich sind,
f) Berechnen von ersten und zweiten Zustellwegen, die für ein Bewirken der berechneten ortsaufgelösten Verformungen erforderlich sind,
g) Ansteuern des mindestens einen Stellelements und Bewirken der berechneten ersten und zweiten Zustellwege.

Es ist ferner möglich, den erfindungsgemäßen Spiegel nicht nach ortsaufgelösten Messwerten sondern nach einem (integrierten) Messwert einzustellen. Diese Einstellung kann manuell erfolgen und beispielsweise auf eine Maximierung eines Messwerts eines ausgewählten Parameters gerichtet sein. Dabei kann auf die Schritte d) bis g) des erfindungsgemäßen Verfahrens verzichtet werden. Unter einer Maximierung eines Messwerts kann auch eine Optimierung verstanden werden. Ein ausgewählter Parameter kann beispielsweise eine Intensität sein. Ein Messwert kann beispielsweise durch ein Intensitätssignal gegeben sein.
Das Ansteuern in Schritt g) erfolgt mittels Steuersignalen, die aufgrund der berechneten ersten und zweiten Zustellwege generiert werden. Die Steuersignale werden beispielsweise über direkte Datenleitungen, z. B. per Einzelverdrahtung, drahtlos per Funk oder per optischer Datenübermittlung an das Stellelement bzw. an die Stellelemente übertragen. Die Datenübertragung kann in weiteren Ausführungen der Erfindung auch unter Nutzung von Bussystemen erfolgen.
Ein Erfassen der Aberrationen in Schritt d) kann mit bekannten Verfahren, beispielsweise durch Messungen nach dem Hartmann-Shack-Prinzip oder mittels eines Interferometers, erfolgen. Dazu können ein Sensor oder mehrere geeignete Sensoren wie beispielsweise Shack-Hartmann-Sensoren verwendet werden.
Durch ein ortsaufgelöstes Erfassen der Messwerte ist die Messposition entlang des optischen Pfads bekannt, an der die betreffenden Messwerte erfasst werden. Außerdem ist eine örtliche Verteilung der erfassten Messwerte über den Querschnitt des Strahlenbündels bekannt. Die Verteilung der erfassten Messwerte kann durch ein geeignetes Koordinatensystem, beispielsweise mit Hilfe eines Polarkoordinatensystems, beschrieben werden.
Die Berechnung in Schritt f) erfolgt mindestens unter Beachtung der erfassten Messwerte. Dabei können die erfassten Messwerte beispielsweise als Kriterien zur Auswahl bestimmter Berechnungsmodelle dienen; sie gehen aber selbst nicht als Variablen in die Berechnung ein. Die Berechnung kann in weiteren Ausgestaltungen des Verfahrens auch unter Nutzung der erfassten Messwerte erfolgen; diese gehen dann direkt als Variablen in eine Berechnung ein.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es in einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens möglich, dass zwischen den Schritten d) und e) ein zusätzlicher Schritt d2) durchgeführt wird, in dem die erfassten Messwerte mit zulässigen Toleranzgrenzen verglichen werden und die Schritte e) bis g) nur dann ausgeführt werden, wenn die Messwerte die zulässigen Toleranzgrenzen überschreiten oder alternativ dass Verfahren beendet wird, wenn die Messwerte unterhalb der zulässigen Toleranzgrenzen liegen.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren nach der ersten Alternative durchgeführt, also Ausführen der Schritte e) bis g) nur dann, wenn die Messwerte die zulässigen Toleranzgrenzen überschreiten, ist es günstig, wenn nach dem Bewirken der ersten und zweiten Zustellwege erneut Aberrationen des Strahlenbündels als Messwerte erfasst werden. Auf diese Weise ist eine Erfolgskontrolle der erfolgten Zustellungen und der Wirkungen der Krafteinleitungen gegeben.
Es ist in weiteren Ausgestaltungen der Erfindung möglich, die erneut erfassten Messwerte zu verwenden, um die Berechnungsalgorithmen an spezifische Betriebsbedingungen, z. B. Druck und Temperatur, der optischen Anordnung und spezifische Eigenschaften des Planelements, z B. individuelles thermisches Ausdehnungsverhalten, individuelle Oberflächenfehler, individuelles Biege-(Deformations-)verhalten, anzupassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren mit seinen Ausgestaltungen wird vorzugsweise zum Ausgleich von Aberrationen und insbesondere zum Ausgleich eines Astigmatismus durchgeführt.
Die Aufgabe ist ferner mit einer optischen Anordnung gelöst, in der ein erfindungsgemäßer Spiegel angeordnet ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren und den erfindungsgemäßen Spiegel ist eine einfache Möglichkeit vorgeschlagen, um bei einer Anzahl eigenständiger optischer Einheiten, die in einer optischen Anordnung entlang eines optischen Pfads verbaut werden und dort zusammenwirken sollen, einen Abbildungsfehler auszugleichen. Solche Abbildungsfehler können auftreten, auch wenn die einzelnen optischen Einheiten vor ihrem Einbau in die optische Anordnung jeder für sich entsprechende Qualitätskontrollen erfolgreich durchlaufen haben. Der Ausgleich kann vorgenommen werden, ohne die optischen Einheiten zu demontieren und deren interne Einstellungen und Justage zu verändern. Außerdem ist es möglich, eine bereits bestehende optische Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Spiegel nachzurüsten.
Wird das Strahlenbündel in weiteren Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, des erfindungsgemäßen Spiegels oder einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung in Teilstrahlenbündel aufgeteilt und entlang des optischen Pfads oder entlang verschiedener optischer Pfade geführt, gelten für diese die beschriebenen technischen Merkmale, Verfahrensschritte und Wirkungen entsprechend.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und Abbildungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen justierbaren deformierbaren Spiegels,
2 das erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen justierbaren deformierbaren Spiegels in einer Schnittdarstellung,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen justierbaren deformierbaren Spiegels,
4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen justierbaren deformierbaren Spiegels und
5 ein erstes Ausführungsbeispiel einer optischen Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Spiegel.
In einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Spiegels 1 sind in der 1 als wesentliche Elemente ein als ein Planelement 2 gestaltetes Spiegelelement und ein Stellelement 4 gezeigt.
Das Planelement 2 weist eine erste Seitenfläche 2.1 und eine zweite Seitenfläche 2.2 auf, die zueinander parallel verlaufen. Die erste Seitenfläche 2.1 ist einem Grundkörper 3 abgewandt, während die zweite Seitenfläche 2.2 dem Grundkörper 3 zugewandt ist. Das Planelement 2 hat eine rechteckige Form mit vier Stirnflächen 2.3 (zwei davon gezeigt). Das Planelement 2 ist an dem Grundkörper 3 befestigt und durch diesen gehalten. Der Grundkörper 3 ist als ein Festkörpergelenk ausgebildet, das mit der zweiten Seitenfläche 2.2 in direktem Kontakt steht, sodass durch den Grundkörper 3 zugleich das Stellelement 4 gebildet ist. Das Festkörpergelenk ist durch eine Kinematik mehrerer zusammenwirkender (Festkörper-)Gelenke gebildet.
Zur Erläuterung des gezeigten Stellelements 4 in der Schnittdarstellung des ersten Ausführungsbeispiels in 2 ist ein kartesisches Koordinatensystem mit einer x-, einer y- und einer z-Achse angegeben. Bei einer anderen relativen Ausrichtung von Koordinatensystem und Stellelement 4 zueinander ist die nachfolgende Beschreibung entsprechend zu verstehen. Gleiches gilt für die nachfolgend verwendeten Bezeichnungen „oben” und „unten”. Dabei wird hier unter „oben” eine Richtung zunehmender positiver Werte auf der z-Achse des gezeigten Koordinatensystems verstanden.
Das Stellelement 4 weist Hebelelemente 5 auf. Seitlich an dem Stellelement 4 angeordnet befinden sich zwei erste Hebelarme 5.1, die sich in Richtung der z-Achse von unten nach oben erstrecken und um die y-Achse entlang eines ersten Zustellwegs 6.1 schwenkbar sind. Die ersten und zweiten Seitenflächen 2.1, 2.2 des Planelements 2 erstrecken sich parallel zu einer durch die x- und die y-Achse bestimmten Ebene.
Die in 2 oben gezeigten Enden der ersten Hebelarme 5.1 sind an einem elastisch deformierbaren Element 16 angelenkt, das wiederum mit einem Stellantrieb 14 in Verbindung steht, durch dessen Zustellbewegungen die ersten Hebelarme 5.1 um die y-Achse schwenkbar sind. Gezeigt ist eine Ausführung eines elastisch deformierbaren Elements 16, dessen Querschnitt bereichsweise verringert ist, um Biegungen des elastisch deformierbaren Elements 16 und daraus resultierende Längenänderungen des elastisch deformierbaren Elements 16 zu erlauben.
Die ersten Hebelarme 5.1 sind um eine erste Drehachse A1 um die y-Achse schwenkbar. Die erste Drehachse A1 liegt in einer ersten Ebene E1. Das elastisch deformierbare Element 16 weist in einer zweiten Ebene E2 eine zweite Drehachse A2 und in einer dritten Ebene E3 eine dritte Drehachse A3 auf, die durch Verringerungen des Querschnittes (Gelenke) des elastisch deformierbaren Elements 16 bewirkt sind und in den zwei zueinander in Richtung der z-Achse versetzten Ebenen E2 bzw. E3 liegen. Der Betrag dieses Versatzes der Ebenen E2 und E3 wie auch dieser beiden Ebenen E2, E3 zur Ebene E1 bestimmt entscheidend die Auflösung und den Stellbereich des Stellelements 4. Ein mittlerer Steg 15.1 ist um eine sechste Drehachse A6 schwenkbar, die in einer vierten Ebene E4 liegt. Die vierte Ebene E4 verläuft entlang einer Symmetrielinie in Längsrichtung (in Richtung der z-Achse) des mittleren Stegs 15.1. Die Drehachsen A1, A2 und A3 sowie die Ebenen E1, E2 und E3 sind zur Ebene E4 spiegelsymmetrisch vorhanden. Das elastisch deformierbare Element 16 ist bezüglich der Ebene E4 spiegelsymmetrisch gestaltet.
Nachfolgend beschriebene Bewegungen, Verschiebungen und Drehungen sind als Relativbewegungen zu verstehen.
An den in 2 unten gezeigten Enden der ersten Hebelarme 5.1 ist jeweils ein zweiter Hebelarm 5.2 vorhanden, der ebenfalls um die y-Achse entlang eines zweiten Zustellwegs 6.2 schwenkbar ist. Die nach unten weisenden Enden der ersten Hebelarme 5.1 sind als Stege 5.11 ausgebildet, liegen in einem Ausgangszustand des Spiegels 1 an der zweiten Seitenfläche 2.2 an und sind mit dieser verbunden. Außerdem sind die Stege 5.11 in Richtung der x-Achse verschiebbar. Durch ein in Richtung der x-Achse verlaufendes biegbares Übertragungselement 15 sind die beiden Stege 5.11 mechanisch miteinander gekoppelt. In der Mitte des Übertragungselementes 15, und somit auf halber Strecke zwischen den beiden Stegen 5.11 ist der mittlere Steg 15.1 vorhanden, der von dem Übertragungselement 15 in Richtung der z-Achse nach unten vorsteht und ebenfalls mit der zweiten Seitenfläche 2.2 verbunden ist. In einem Ausgangszustand, bei dem außer erforderlichen Haltekräften keine Kräfte F in das Planelement 2 eingeleitet sind, ragen die Stege 5.11 und der mittlere Steg 15.1 eine gleiche Strecke nach unten. An den Stegen 5.11 liegt die zweite Seitenfläche 2.2 an, während diese mit dem mittleren Steg 15.1 durch Kleben oder Löten stoffschlüssig verbunden ist.
In weiteren Ausführungen des erfindungsgemäßen Spiegels 1 kann auch eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Anbindung realisiert sein.
Die zweiten Hebelarme 5.2 stehen über einen biege- und verwindungssteifen Block 17 miteinander in Verbindung. Durch den Block 17 ist bewirkt, dass eine Bewegung der zweiten Hebelarme 5.2 in Richtung der x-Achse nicht zu Biegungen von Teilen des Stellelements 4 führt, sondern dass der Block 17 in Richtung der z-Achse angehoben bzw. abgesenkt wird, je nachdem, ob die zweiten Hebelarme 5.2 aufeinander zu oder voneinander weg bewegt sind. Mit dem Block 17 ist der mittlere Steg 15.1 mechanisch fest und in Richtung der z-Achse starr verbunden, sodass durch den mittleren Steg 15.1 entweder eine Zugkraft oder eine Druckkraft über die zweite Seitenfläche 2.2 in das Planelement 2 eingeleitet werden kann.
Wird der Stellantrieb 14 betätigt und werden durch dessen Wirkung die ersten Hebelarme 5.1 entlang des ersten Zustellwegs 6.1 bewegt, werden die zweiten Hebelarme 5.2 entsprechend dem Hebelverhältnis zwischen ersten Hebelarmen 5.1 und zweiten Hebelarmen 5.2 entlang des zweiten Zustellwegs 6.2 bewegt. Infolge der Bewegung entlang des zweiten Zustellwegs 6.2 und der damit einhergehenden Schwenkbewegung um die y-Achse sind die Stege 5.11 in Richtung der x-Achse bewegt. Aufgrund der dabei zurückgelegten kleinen Strecken kann vereinfachend von einer Verschiebung in Richtung der x-Achse gesprochen werden. Je nach Richtung der Zustellbewegung des Stellantriebs 14 sind die Stege 5.11 aufeinander zu oder voneinander weg verschoben.
Sind die Stege 5.11 aufeinander zu verschoben, wird der Block 17 in Richtung der z-Achse nach oben angehoben. Damit wird auch der mittlere Steg 15.1 angehoben und durch diesen eine Kraft F in Form einer Zugkraft in das Planelement 2 eingeleitet, deren Richtung und beispielhafter Betrag durch die Pfeilrichtung und Pfeillänge schematisch dargestellt ist. Zugleich sind die Stege 5.11 aufeinander zu bewegt, sodass durch diese in Richtung der x-Achse weisende Kräfte F in Form von Druckkräften in das Planelement 2 eingeleitet werden. Infolgedessen wird das Planelement 2 deformiert. Das so bewirkte Deformationsprofil kann vereinfachend als eine konkave erste Seitenfläche 2.1 beschrieben werden.
Sind dagegen die Stege 5.11 voneinander weg verschoben, wird der Block 17 in Richtung der z-Achse nach unten abgesenkt. Damit wird auch der mittlere Steg 15.1 abgesenkt und durch diesen eine Kraft F in Form einer Druckkraft in das Planelement 2 eingeleitet. Zugleich sind die Stege 5.11 voneinander weg bewegt, sodass durch diese in Richtung der x-Achse weisende Kräfte F in Form von Zugkräften in das Planelement 2 eingeleitet werden. Infolgedessen wird das Planelement 2 deformiert. Das so bewirkte Deformationsprofil kann vereinfachend als eine konvexe erste Seitenfläche 2.1 beschrieben werden.
Es handelt sich bei dem Stellelement 4 und den Hebelelementen 5 um ein seriell hintereinander geschaltetes Hebelgetriebe. Das Stellelement 4 ist so ausgeführt, dass die einzuleitende Kraft F gegenüber dem mittleren Steg 15.1 symmetrisch auf die beiden verschiebbaren Stege 5.11 verteilt wird.
Das Planelement 2 hat im ersten Ausführungsbeispiel eine Dicke d von 1,5 mm und ist aus einer Schicht Borosilikatglas gebildet. Die Oberfläche der ersten Seitenfläche 2.1 weist eine Oberflächengüte von 6,5 nm RMS nach ISO 11010-5 auf.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist ein Spiegel 1 gezeigt, der grundsätzlich dem ersten Ausführungsbeispiel entspricht. Der Übersichtlichkeit halber sind einige symmetrisch vorhandene Elemente nur auf einer Seite des Spiegels 1 gezeigt. Der Block 17 des Stellelements 4 ist über eine Verschraubung (nicht gezeigt) mechanisch fest und starr mit einer Lagerstruktur 22 verbunden. Als Stellantrieb 14 ist ein abgewinkelter Hebel 18 mit einem ersten Arm 18.1 und einem zweiten Arm 18.2 vorhanden, der um eine fünfte Drehachse A5 drehbar gelagert ist. An einem ersten Arm 18.1 des Hebels 18 ist eine erste Justiereinheit 19 vorhanden, mittels der eine relative Lage des Hebels 18 bezüglich der Lagerstruktur 22 einstellbar ist. Der zweite Arm 18.2 des Hebels 18 steht mit dem elastisch deformierbaren Element 16 in Verbindung. An dem zweiten Arm 18.2 des Hebels 18 ist eine zweite Justiereinheit 20 vorhanden. Diese weist eine gefedert gelagerte Schraube 20.1 auf, die mit einem Ausgleichsblock 21 in mechanischer Verbindung steht. Der Ausgleichsblock 21 ist ein Teil des Blocks 17 und durch Schlitze nahezu vollständig von diesem abgetrennt. Nur an einem schmalen Verbindungssteg ist der Ausgleichsblock 21 mit dem Block 17 verbunden. Der schmale Verbindungssteg bildet eine vierte Drehachse A4, die in der vierten Ebene E4 liegt. Die vierte Drehachse A4 dient bei Einleitung einer Kraft F von der Schraube 20.1 mit geschlossenem Kraftfluss durch den Grundkörper 3 bzw. durch das Stellelement 4 dazu, die Kraft F symmetrisch auf beide Seiten des Stellelements 4 und die Stege 5.11 zu verteilen.
Wird der Hebel 18 um eine fünfte Drehachse A5 geschwenkt, ist das elastisch deformierbare Element 16 wie vorstehend erläutert in Richtung der z-Achse ausgelenkt. Durch die Drehung um die fünfte Drehachse A5 ist der zweite Arm 18.2 über seine Länge unterschiedliche Strecken auf das elastisch deformierbare Element 16 zugestellt. Diese wenn auch sehr geringen Strecken und Streckendifferenzen sind durch ein Zusammenwirken der zweiten Justiereinheit 20 und des Ausgleichsblocks 21 wieder ausgeglichen. Der Ausgleichsblock 21 ist über die Breite der Schlitze um die vierte Drehachse A4 schwenkbar, sodass eine Ausgleichsbewegung zur Drehbewegung um die fünfte Drehachse A5 erzielbar ist. In deren Folge sind die Stellbewegungen des elastisch deformierbaren Elements 16 und die auf die Stege 5.11 sowie auf den mittleren Steg 15.1 übertragenen Kräfte F symmetrisch verteilt.
In einem dritten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Spiegels 1 ist das Planelement 2 durch den Grundkörper 3 gehalten (4). Zusätzlich ist das Stellelement 4 vorhanden, durch welches Kräfte F in das Planelement 2 eingeleitet werden können.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer optischen Anordnung 11 mit einem erfindungsgemäßen Spiegel 1 ist stark schematisch in 5 gezeigt. Zwischen einer ersten optischen Einheit 9.1 und einer zweiten optischen Einheit 9.2 ist der Spiegel 1 so angeordnet, dass einfallende Strahlenbündel 12.1 einer elektromagnetische Strahlung, die sich entlang eines optischen Pfads 13 von der ersten optischen Einheit 9.1 kommend ausbreiten, auf die erste Seitenfläche 2.1 (siehe z. B. 2) auftreffen. Von der ersten Seitenfläche 2.1 werden die einfallenden Strahlenbündel 12.1 reflektiert und breiten sich als reflektierte Strahlenbündel 12.2 weiter entlang des optischen Pfads 13 zur zweiten optischen Einheit 9.2 hin aus.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel sind statt der ersten optischen Einheit 9.1 und der zweiten optischen Einheit 9.2 optische Linsen als optische Elemente (verallgemeinernd als 10 bezeichnet) in der optischen Anordnung angeordnet.
In einem Abschnitt des optischen Pfads 13, entlang dem sich die einfallenden Strahlenbündel 12.1 ausbreiten, ist ein Sensor 8 zu Erfassung von Wellenfrontfehlern angeordnet. Durch diesen werden Wellenfrontfehler des oder der einfallenden Strahlenbündel 12.1 als ortsaufgelöste Messwerte erfasst. Die erfassten Messwerte werden an eine Steuerung 7 weitergeleitet, die so konfiguriert ist, dass durch diese aus den erfassten Messwerten Steuersignale ableitbar sind. Dabei werden ortsaufgelöste Deformationen des Spiegels 1 berechnet, die für einen Ausgleich der festgestellten Aberrationen erforderlich sind. Sind diese ortsaufgelösten Deformationen berechnet, werden Zustellwege 6 (siehe z. B. 2), insbesondere erste und zweite Zustellwege 6.1, 6.2 (siehe z. B. 2) berechnet, die für ein Bewirken der berechneten ortsaufgelösten Deformation erforderlich sind. Dabei wird das aktuelle Deformationsprofil des Planelements 2 bei den Berechnungen berücksichtigt. Anschließend werden Steuersignale generiert, durch welche die Hebelelemente 5 (siehe z. B. 2) entlang berechneten Zustellwege 6 mit den korrekten Richtungen und Beträgen bewegt werden können. Diese Steuersignale werden an das Stellelement 4 des Spiegels 1 geleitet. Infolge der Steuersignale werden dann die Hebelelemente 5 betätigt und entlang der berechneten Zustellwege 6 bewegt.
Sind mehrere Stellantriebe 14 an dem Spiegel 1 vorhanden, werden die Berechnungen jeweils für diese Stellantriebe 14 durchgeführt, wobei die Wechselwirkungen von Stellbewegungen und Krafteinleitungen in Abhängigkeit der Materialeigenschaften des Planelements 2 sowie von dessen aktuellem Deformationsprofil bei den Berechnungen berücksichtigt werden. Die Steuersignale werden entsprechend spezifisch für die Stellantriebe 14 erstellt und gezielt an diese geleitet.
Infolge der Stellbewegungen der Stellantriebe 14 und des Stellelements 4 werden Kräfte F in das Planelement 2 eingeleitet. Dieses wird in Abhängigkeit von Betrag und Richtung der Kräfte F sowie deren jeweiligem Ort der Einleitung in das Planelement 2 deformiert. Das durch die Deformationen bedingte Deformationsprofil des Planelements 2 bewirkt, dass Strahlen des einfallenden Strahlenbündels 12.1 in Abhängigkeit ihres Auftreffortes auf der ersten Seitenfläche 2.1 mit einem jeweiligen Reflektionswinkel α (alpha) reflektiert werden (nur beispielhaft gezeigt). Die jeweiligen Reflektionswinkel α sind so eingestellt, dass die auszugleichenden Aberrationen in dem reflektierten Strahlenbündel 12.2 reduziert oder gänzlich beseitigt sind.
In einem Abschnitt, in dem sich das reflektierte Strahlenbündel 12.2 entlang des optischen Pfads 13 ausbreitet, ist ein weiterer Sensor 8 zur ortsaufgelösten Erfassung von Wellenfrontfehlern angeordnet. Durch diesen weiteren Sensor 8 werden ortsaufgelöst Messwerte erfasst und an die Steuerung 7 geleitet. Dort werden die von dem weiteren Sensor 8 erfassten Messwerte mit zulässigen Toleranzgrenzen verglichen. Zeigen die Messwerte Aberrationen in dem reflektierten Strahlenbündel 12.2, die außerhalb zulässiger Toleranzgrenzen liegen, werden durch die Steuerung 7 erneute Berechnungen vorgenommen und entsprechende Steuersignale generiert und an den Stellantrieb 14 bzw. an die Stellantriebe 14 übertragen, um das Deformationsprofil so nachzusteuern, dass die erfassten Messwerte in dem reflektierten Strahlenbündel 12.2 innerhalb der Toleranzgrenzen zu liegen kommen.
Es ist in weiteren Ausgestaltungen der Erfindung vorgesehen, die in dem reflektierten Strahlenbündel 12.2 erfassten Messwerte zu verwenden, um die Berechnungsalgorithmen der Steuerung 7 an spezifische Betriebsbedingungen und spezifische Eigenschaften des Planelements 2 anzupassen.
Bezugszeichenliste

1: Spiegel
2: Planelement
2.1: erste Seitenfläche
2.2: zweite Seitenfläche
2.3: Stirnflächen
3: Grundkörper
4: Stellelement
5: Hebelelement
5.1: erster Hebelarm
5.11: Steg
5.2: zweiter Hebelarm
6: Zustellweg
6.1: erster Zustellweg
6.2: zweiter Zustellweg
7: Steuerung
8: Sensor
9: optische Einheit
9.1: erste optische Einheit
9.2: zweite optische Einheit
10: optisches Element
11: optische Anordnung
12.1: einfallende Strahlenbündel (einer elektromagnetischen Strahlung)
12.2: reflektierte Strahlenbündel (einer elektromagnetischen Strahlung)
13: optischer Pfad
14: Stellantrieb
15: Übertragungselement
15.1: mittlerer Steg
16: elastisch deformierbares Element
17: Block
18: Hebel
18.1: erster Arm
18.2: zweiter Arm
19: erste Justiereinheit
20: zweite Justiereinheit
20.1: Schraube
21: Ausgleichsblock
22: Lagerstruktur
d: Dicke
F: Kraft
A1: erste Drehachse
A2: zweite Drehachse
A3: dritte Drehachse
A4: vierte Drehachse
A5: fünfte Drehachse
A6: sechste Drehachse
E1: erste Ebene
E2: zweite Ebene
E3: dritte Ebene
E4: vierte Ebene
α: Reflektionswinkel

Claims

Justierbarer deformierbarer Spiegel (1) zum Ausgleich von Aberrationen eines Strahlenbündels (12.1, 12.2) einer sich entlang eines optischen Pfads (13) ausbreitenden elektromagnetischen Strahlung mit – einem Spiegelelement zur Reflexion einfallender Strahlen des Strahlenbündels (12.1), – einem Grundkörper (3) zur Halterung des Spiegelelements und – mindestens einem Stellelement (4) zur Einleitung von Kräften (F) in das Spiegelelement, wobei – das Spiegelelement ein Planelement (2) mit zwei zueinander parallel verlaufenden Seitenflächen (2.1, 2.2) ist, wobei eine erste Seitenfläche (2.1) dem optischen Pfad (13) und eine zweite Seitenfläche (2.2) dem Grundkörper (3) zugewandt sind, – das Planelement (2) eine Dicke (d) von mindestens 1 mm zwischen den parallelen Seitenflächen (2.1, 2.2) aufweist, – das Stellelement (4) ein Hebelgetriebe mit Hebelelementen (5) mit einem ersten Hebelarm (5.1) und einem zweiten Hebelarm (5.2) aufweist, wobei der erste Hebelarm (5.1) entlang eines ersten Zustellwegs (6.1) und der zweite Hebelarm (5.2) entlang eines zweiten Zustellwegs (6.2) beweglich ist und deren Hebelarmverhältnisse so gestaltet sind, dass die Länge des zweiten Zustellwegs (6.2) höchstens ein Fünftel der Länge des ersten Zustellwegs (6.1) beträgt und durch den zweiten Hebelarm (5.2) Kräfte (F) auf das Planelement (2) übertragbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (4) ein Festkörpergelenk ist, das monolithisch und bezüglich einer Symmetrieachse des Stellelements (4) spiegelsymmetrisch aufgebaut ist und neben den ersten und zweiten Hebelarmen (5.1, 5.2) einen zentral angeordneten verwindungssteifen Block (17), ein elastisch deformierbares Element (16) zur Einleitung der Kraft (F) in das Stellelement (4) und ein biegsames Übertragungselement (15) zur Einleitung der Kraft (F) in das Planelement (2) aufweist, und in dem Block (17) ein Ausgleichsblock (21) vorhanden ist, der von dem Block (17) durch Schlitze nahezu vollständig getrennt und nur über einen schmalen Verbindungssteg mit dem Block (17) verbunden ist, sodass der Ausgleichsblock (21) im Bereich des Verbindungsstegs um eine vierte Drehachse (A4) schwenkbar ist.
Spiegel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (4) über Stege (5.11, 15.1) mit der zweiten Seitenfläche (2.2) in Verbindung steht.
Spiegel (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dem optischen Pfad (13) zugewandte erste Seitenfläche (2.1) in einem Ausgangszustand des Planelements (2) eine Oberflächengüte von weniger als 6 nm RMS aufweist.
Spiegel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Planelement (2) aus einem Quarzglas, Kalziumfluorid, einem Borosilikatglas oder einem Kronglas besteht.
Verwendung eines Spiegels (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zum Ausgleich von Aberrationen zwischen optischen Einheiten (9) einer optischen Anordnung (11).
Verfahren zum Ausgleich von Aberrationen eines Strahlenbündels (12.1, 12.2) einer elektromagnetischen Strahlung entlang eines optischen Pfads (13) mit den Schritten: a) Bereitstellen entweder mindestens zweier optischer Einheiten (9) oder mindestens zweier optischer Elemente (10), b) Bereitstellen eines Spiegels (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, c) Anordnen des Spiegels (1) zwischen den optischen Einheiten (9) oder zwischen den optischen Elementen (10) in dem optischen Pfad (13), d) Erfassen von Aberrationen des Strahlenbündels (12.1, 12.2) als ortsaufgelöste Messwerte, e) Berechnen von ortsaufgelösten Deformationen des Spiegels (1), die für einen Ausgleich der Aberrationen erforderlich sind, f) Berechnen von ersten und zweiten Zustellwegen (6.1, 6.2), die für ein Bewirken der berechneten ortsaufgelösten Deformation erforderlich sind, g) Ansteuern mindestens eines Stellelements (4) und Bewirken der berechneten ersten und zweiten Zustellwege (6.1, 6.2).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schritten d) und e) ein zusätzlicher Schritt d2) durchgeführt wird, in dem die erfassten Messwerte mit zulässigen Toleranzgrenzen verglichen werden und die Schritte e) bis g) nur dann ausgeführt werden, wenn die Messwerte die zulässigen Toleranzgrenzen überschreiten oder alternativ das Verfahren beendet wird, wenn die Messwerte unterhalb der zulässigen Toleranzgrenzen liegen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder nach Anspruch 7 erste Alternative, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Bewirken der ersten und zweiten Zustellwege (6.1, 6.2) erneut Aberrationen des Strahlenbündels (12.1, 12.2) als Messwerte erfasst werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei lediglich die Schritte a) bis c) ausgeführt werden und dann die ersten und zweiten Zustellwege (6.1, 6.2) bewirkt werden, bis ein optimierter Messwert eines ausgewählten Parameters eingestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aberration ein Astigmatismus ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10 zum Ausgleich von Aberrationen, die mittels der Zernike-Polynome mit den Variablen m und n beschrieben werden können, wobei der Ausgleich für Aberrationen bis |m| < 4 und |n| ≤ 4 oder deren Linearkombinationen durchgeführt wird.
Verwendung eines Spiegels (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 11 zum Ausgleich von Aberrationen eines Strahlenbündels (12.1, 12.2) einer elektromagnetischen Strahlung im Wellenlängenbereich der DUV-Strahlung.
Optische Anordnung (11) mit einem Spiegel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.