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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Baugruppe mit einem Element und einem Entkopplungsgelenk zur mechanischen Lagerung des Elements. Bei dem Element kann es sich um ein optisches Element, insbesondere um einen Spiegel oder ein Spiegelarray handeln, z.B. in einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage. Des Weiteren kann es sich auch um ein Element bzw. eine Baugruppe für andere Anwendungen z.B. der Messtechnik, Feinmechanik oder Medizintechnik handeln.
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Stand der Technik
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Mikrolithographie wird zur Herstellung mikrostrukturierter Bauelemente, wie beispielsweise integrierter Schaltkreise oder LCD's, angewendet. Der Mikrolithographieprozess wird in einer sogenannten Projektionsbelichtungsanlage durchgeführt, welche eine Beleuchtungseinrichtung und ein Projektionsobjektiv aufweist. Das Bild einer mittels der Beleuchtungseinrichtung beleuchteten Maske (= Retikel) wird hierbei mittels des Projektionsobjektivs auf ein mit einer lichtempfindlichen Schicht (Photoresist) beschichtetes und in der Bildebene des Projektionsobjektivs angeordnetes Substrat (z.B. ein Siliziumwafer) projiziert, um die Maskenstruktur auf die lichtempfindliche Beschichtung des Substrats zu übertragen.
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In einer für EUV (z.B. für Wellenlängen von z.B. etwa 13.5 nm oder niedriger) ausgelegten Projektionsbelichtungsanlage werden mangels Vorhandenseins lichtdurchlässiger Materialien Spiegel als optische Komponenten für den Abbildungsprozess verwendet. In der Beleuchtungseinrichtung einer für den Betrieb im EUV ausgelegten mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage ist insbesondere der Einsatz von Facettenspiegeln in Form von Feldfacettenspiegeln und Pupillenfacettenspiegeln als bündelführende Komponenten z.B. aus
DE 10 2008 009 600 A1 bekannt. Derartige Facettenspiegel sind aus einer Vielzahl von Einzelspiegeln oder Spiegelfacetten aufgebaut, welche jeweils zum Zwecke der Justage oder auch zur Realisierung bestimmter Beleuchtungswinkelverteilungen über Festkörpergelenke und Aktoren kippbar ausgelegt sein können.
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Ein in der Praxis auftretendes Problem ist, dass die EUV-Spiegel u.a. infolge Absorption der von der EUV-Lichtquelle emittierten Strahlung eine Erwärmung und eine damit einhergehende thermische Ausdehnung bzw. Deformation erfahren, welche wiederum eine Beeinträchtigung der Abbildungseigenschaften des optischen Systems zur Folge haben kann.
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Zur Vermeidung von durch Wärmeeinträge in einen EUV-Spiegel verursachten Oberflächendeformationen und damit einhergehenden optischen Aberrationen sind diverse Ansätze bekannt. Hierzu gehören insbesondere ein aktives direktes Kühlen oder auch ein unmittelbares elektrisches Heizen. Ein hierbei in der Praxis auftretendes weiteres Problem besteht darin, dass die direkte Kühlung eines Spiegels oder Spiegelarrays im konkreten Anwendungsfall gegebenenfalls nicht möglich oder nicht erwünscht ist. Die mit der strahlungsbedingten Erwärmung einhergehende thermische Ausdehnung des Spiegels bzw. Spiegelarrays hat dann Zwangskräfte bzw. mechanische Verspannungen zur Folge, welche z.B. aus unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen des Spiegels bzw. Spiegelarrays einerseits und der - typischerweise gekühlten - mechanischen Einfassung andererseits resultieren können.
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Zur Vermeidung spannungsbedingter Deformationen ist der Einsatz von Entkopplungsgelenken bekannt, welche bei der mechanischen Anbindung des jeweiligen Spiegels bzw. Spiegelarrays thermisch induzierte Ausdehnungen des jeweiligen optischen Elements „aufnehmen“ und auf diese Weise mechanische Verspannungen vermeiden sollen. Je nach dem konkreten Anwendungsszenario können sich jedoch die durch ein solches Entkopplungsgelenk „entkoppelten“ Freiheitsgrade als unzureichend erweisen, um eine freie thermische Ausdehnung ohne Einleitung von Zwangskräften bzw. mechanischen Verspannungen zu gewährleisten.
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Dabei kann in der Praxis das Problem auftreten, dass die in einem Entkopplungsgelenk auftretende und mit der thermischen Ausdehnung des optischen Elements bzw. Spiegels einhergehende Deformation des Entkopplungsgelenks zu hohen mechanischen Spannungen im Entkopplungsgelenk führt, welche gegebenenfalls kritische Werte überschreiten können. Zudem wird eine spannungsoptimierte Ausgestaltung des Entkopplungsgelenks ggf. zusätzlich dadurch erschwert, dass der im jeweiligen optischen System zur Verfügung stehende Bauraum in der Regel stark begrenzt ist. Im Ergebnis erweist sich somit die geeignete Ausgestaltung sowie Anordnung der Entkopplungsgelenke relativ zum optischen Element bzw. Spiegel oder Spiegelarray in der Praxis als anspruchsvolle Herausforderung. Sofern aufgrund verbleibender Zwangskräfte Deformationen und/oder Verlagerungen der optischen Wirkfläche auftreten, können diese zu einer Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften bzw. der Leistungsfähigkeit des jeweiligen optischen Systems (z.B. der Projektionsbelichtungsanlage) führen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Baugruppe bereitzustellen, welche eine Reduzierung ungewünschter spannungsbedingter Deformationen unter Vermeidung der vorstehend beschriebenen Probleme ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Baugruppe weist auf:
- - ein Element, welches während eines Betriebs oder Transports in wenigstens einer Belastungsrichtung mechanisch beansprucht wird; und
- - ein Entkopplungsgelenk zur mechanischen Lagerung des Elements, wobei das Entkopplungsgelenk in der Belastungsrichtung eine wenigstens teilweise Entkopplung bewirkt;
- - wobei dieses Entkopplungsgelenk aus einer Mehrzahl von separaten Gelenksegmenten aufgebaut ist; und
- - wobei wenigstens zwei dieser Gelenksegmente relativ zueinander in Belastungsrichtung versetzt sind.
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In Ausführungsformen der Erfindung kann das Element insbesondere ein optisches Element sein, welches einen optischen Nutzbereich besitzt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die geometrische Anordnung der Gelenksegmente an eine äußere Kontur des optischen Nutzbereichs angepasst.
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Gemäß einer Ausführungsform verläuft die Belastungsrichtung radial in Bezug auf einen Mittelpunkt des optischen Nutzbereichs. Des Weiteren kann die Ausrichtung des Entkopplungsgelenks wie im Weiteren erläutert bevorzugt senkrecht zur Belastungsrichtung erfolgen.
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Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, ein zur mechanischen Lagerung eines im Betrieb eines (z.B. optischen) Systems in wenigstens einer Belastungsrichtung mechanisch beanspruchten optischen Elements dienendes Entkopplungsgelenk zum einen aus einer Mehrzahl separater Gelenksegmente aufzubauen, wobei außerdem wenigstens zwei dieser Gelenksegmente relativ zueinander in Belastungsrichtung versetzt sind. Durch die erfindungsgemäße Segmentierung des Entkopplungsgelenks und die damit einhergehende mögliche Anpassung der einzelnen Gelenksegmente an die im jeweiligen Bereich bestehende mechanische Belastung kann einerseits eine spannungsoptimierte Gelenkanordnung realisiert werden, wobei besagte Anpassung der einzelnen Gelenksegmente sowohl hinsichtlich der Ausrichtung dieser Gelenksegmente als auch hinsichtlich der jeweiligen Gelenkquerschnitte im Sinne einer Anpassung der Gelenkgeometrie erfolgen kann.
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Zum anderen kann diese spannungsoptimierte Ausgestaltung aufgrund des in Belastungsrichtung erfolgenden, zumindest teilweisen Versatzes der Gelenksegmente zueinander mit einer bauraumsparenden geometrischen Anordnung kombiniert werden. Insbesondere kann die Segmentierung des Entkopplungsgelenks abhängig vom konkreten Einsatzszenario so gewählt werden, dass die geometrische Anordnung der Gelenksegmente an die äußere Kontur des (z.B. optischen) Nutzbereichs angepasst wird, so dass die erfindungsgemäße Diskretisierung des Entkopplungsgelenks letztlich dessen Anschmiegen an die jeweilige Kontur des Nutzbereichs zur Folge hat.
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Dabei kann beispielsweise - wie im Weiteren anhand unterschiedlicher Ausführungsformen detaillierter beschrieben - durch das erfindungsgemäße Entkopplungsgelenk eine thermische Ausdehnung des Elements „aufgefangen“ werden. Im Ergebnis kann so auch bei Halterung des Elements innerhalb einer (z.B. gekühlten) Einfassung bzw. Halterung eine freie (d.h. durch die Halterung nicht behinderte) thermische Ausdehnung des Elements gewährleistet und die Entstehung unerwünschter Zwangskräfte bzw. mechanischer Spannungen unter Vermeidung der eingangs beschriebenen Probleme vermieden werden.
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Die Erfindung ist jedoch hinsichtlich der Art der mechanischen Beanspruchung des Elements nicht auf thermisch induzierte Beanspruchungen bzw. Ausdehnungen beschränkt. So kann eine lediglich beispielhafte weitere vorteilhafte Anwendung der Erfindung auch auf (z.B. während des Transports des Elements bzw. eines dieses Element aufweisenden Systems auftretende) Stoßbelastungen des jeweiligen Elements bezogen sein.
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Des Weiteren kann je nach Einsatzszenario die Belastungsrichtung der mechanischen Beanspruchung des Elements unterschiedlich sein. Insbesondere kann diese Belastungsrichtung radial bezogen auf einen Mittelpunkt des optischen Nutzbereichs verlaufen (wie es typischerweise bei einer thermisch induzierten Ausdehnung des Elements der Fall ist). In anderen Einsatzszenarien kann die Belastungsrichtung (wie es typischerweise bei Stoß- bzw. Schockbelastungen eines Elements während des Transports der Fall ist) in einer konstant linearen Raumrichtung verlaufen.
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Die Ausrichtung der Gelenksegmente selbst zur Belastungsrichtung kann abhängig vom konkreten Einsatzszenario senkrecht oder auch unter einem von 90° abweichenden Winkel erfolgen, wobei dieser Winkel insbesondere jeweils einen Wert im Bereich von 85° bis 95° haben kann.
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Gemäß einer Ausführungsform unterscheiden sich wenigstens zwei dieser Gelenksegmente hinsichtlich ihrer in ein- und demselben entkoppelten Freiheitsgrad bereitgestellten Gelenksteifigkeit voneinander. Dabei weist vorzugsweise von diesen wenigstens zwei Gelenksegmenten das Gelenksegment, welches einer relativ größeren mechanischen Beanspruchung ausgesetzt ist, eine geringere Gelenksteifigkeit als das andere Gelenksegment auf.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Element eine Linse.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Element ein Spiegel.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Element ein Spiegelarray. Insbesondere kann dieses Spiegelarray als Facettenspiegel mit einer Mehrzahl von Spiegelfacetten ausgestaltet sein.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element für eine Arbeitswellenlänge von weniger als 250 nm, insbesondere von weniger als 200 nm, ausgelegt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das optische Element für eine Arbeitswellenlänge von weniger als 30 nm, insbesondere von weniger als 15 nm, ausgelegt.
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Die Erfindung betrifft weiter auch ein optisches System einer mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage, welches wenigstens eine Baugruppe mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen aufweist.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Aufbau und Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Baugruppe in einer ersten Ausführungsform;
- 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Aufbau und Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Baugruppe in einer weiteren Ausführungsform;
- 3 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Aufbau und Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Baugruppe in einer weiteren Ausführungsform;
- 4a-4c schematische Darstellungen zur Erläuterung des möglichen Aufbaus eines in einer erfindungsgemäßen Baugruppe vorhandenen Gelenksegments;
- 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Aufbau und Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Baugruppe in einer weiteren Ausführungsform;
- 6a-b schematische Darstellungen zur Erläuterung des möglichen Aufbaus weiterer in einer erfindungsgemäßen Baugruppe einsetzbarer Gelenksegmente;
- 7 eine Skizze zur Erläuterung einer im Rahmen der vorliegenden Anmeldung verwendeten Terminologie;
- 8 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Aufbau und Funktionsweise einer herkömmlichen Baugruppe; und
- 9 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus einer für den Betrieb im EUV ausgelegten mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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9 zeigt schematisch im Meridionalschnitt den möglichen Aufbau einer für den Betrieb im EUV ausgelegten mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage.
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Gemäß 9 weist die Projektionsbelichtungsanlage 1 eine Beleuchtungseinrichtung 2 und ein Projektionsobjektiv 10 auf. Die Beleuchtungseinrichtung 2 dient dazu, ein Objektfeld 5 in einer Objektebene 6 mit Strahlung einer Strahlungsquelle 3 über eine Beleuchtungsoptik 4 zu beleuchten. Belichtet wird hierbei ein im Objektfeld 5 angeordnetes Retikel 7. Das Retikel 7 ist von einem Retikelhalter 8 gehalten. Der Retikelhalter 8 ist über einen Retikelverlagerungsantrieb 9 insbesondere in einer Scanrichtung verlagerbar. In 9 ist zur Erläuterung ein kartesisches xyz-Koordinatensystem eingezeichnet. Die x-Richtung verläuft senkrecht zur Zeichenebene hinein. Die y-Richtung verläuft horizontal und die z-Richtung verläuft vertikal. Die Scanrichtung verläuft in 9 längs der y-Richtung. Die z-Richtung verläuft senkrecht zur Objektebene 6.
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Das Projektionsobjektiv 10 dient zur Abbildung des Objektfeldes 5 in ein Bildfeld 11 in einer Bildebene 12. Abgebildet wird eine Struktur auf dem Retikel 7 auf eine lichtempfindliche Schicht eines im Bereich des Bildfeldes 11 in der Bildebene 12 angeordneten Wafers 13. Der Wafer 13 wird von einem Waferhalter 14 gehalten. Der Waferhalter 14 ist über einen Waferverlagerungsantrieb 15 insbesondere längs der y-Richtung verlagerbar. Die Verlagerung einerseits des Retikels 7 über den Retikelverlagerungsantrieb 9 und andererseits des Wafers 13 über den Waferverlagerungsantrieb 15 kann synchronisiert zueinander erfolgen.
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Bei der Strahlungsquelle 3 handelt es sich um eine EUV-Strahlungsquelle. Die Strahlungsquelle 3 emittiert insbesondere EUV-Strahlung, welche im Folgenden auch als Nutzstrahlung oder Beleuchtungsstrahlung bezeichnet wird. Die Nutzstrahlung hat insbesondere eine Wellenlänge im Bereich zwischen 5 nm und 30 nm. Bei der Strahlungsquelle 3 kann es sich zum Beispiel um eine Plasmaquelle, eine synchrotronbasierte Strahlungsquelle oder um einen Freie-Elektronen-Laser („Free-Electron-Laser“, FEL) handeln. Die Beleuchtungsstrahlung 16, die von der Strahlungsquelle 3 ausgeht, wird von einem Kollektor 17 gebündelt und propagiert durch einen Zwischenfokus in einer Zwischenfokusebene 18 in die Beleuchtungsoptik 4. Die Beleuchtungsoptik 4 weist einen Umlenkspiegel 19 und diesem im Strahlengang nachgeordnet einen ersten Facettenspiegel 20 (mit schematisch angedeuteten Facetten 21) und einen zweiten Facettenspiegel 22 (mit schematisch angedeuteten Facetten 23) auf.
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Das Projektionsobjektiv 10 weist eine Mehrzahl von Spiegeln Mi (i= 1, 2, ...) auf, welche gemäß ihrer Anordnung im Strahlengang der Projektionsbelichtungsanlage 1 durchnummeriert sind. Bei dem in der 9 dargestellten Beispiel weist das Projektionsobjektiv 10 sechs Spiegel M1 bis M6 auf. Alternativen mit vier, acht, zehn, zwölf oder einer anderen Anzahl an Spiegeln Mi sind ebenso möglich. Der vorletzte Spiegel M5 und der letzte Spiegel M6 weisen jeweils eine Durchtrittsöffnung für die Beleuchtungsstrahlung 16 auf. Bei dem Projektionsobjektiv 10 handelt es sich um eine doppelt obskurierte Optik. Das Projektionsobjektiv 10 hat eine bildseitige numerische Apertur, die größer ist als 0.5 und die auch größer sein kann als 0.6 und die beispielsweise 0.7 oder 0.75 betragen kann.
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Im Betrieb der mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage 1 wird die auf die optische Wirkfläche der Spiegel auftreffende elektromagnetische Strahlung zum Teil absorbiert und führt wie eingangs erläutert zu einer Erwärmung und einer damit einhergehenden thermischen Ausdehnung bzw. Deformation, welche wiederum eine Beeinträchtigung der Abbildungseigenschaften des optischen Systems zur Folge haben kann. Das erfindungsgemäße Konzept zur Lagerung eines optischen Elements kann somit insbesondere vorteilhaft auf einen beliebigen Spiegel der mikrolithographischen Projektionsbelichtungsanlage 1 von 9 angewendet werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die Anwendung in einer für den Betrieb im EUV ausgelegten Projektionsbelichtungsanlage beschränkt. Insbesondere kann die Erfindung auch in einer für den Betrieb im DUV (d.h. bei Wellenlängen kleiner als 250nm, insbesondere kleiner als 200nm) ausgelegten Projektionsbelichtungsanlage oder auch in einem anderen optischen System vorteilhaft angewendet werden.
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Im Weiteren wird zunächst das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Prinzip anhand eines Vergleichs der schematischen Abbildungen von 1 und 8 erläutert.
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Unter Bezugnahme zunächst auf 8 ist schematisch in Draufsicht ein von einer äußeren Halterung 805 umgebenes optisches Element dargestellt, wobei eine dem optischen Nutzbereich dieses Elements entsprechende optische Wirkfläche mit „801“ bezeichnet ist. Die optische Wirkfläche 801 besitzt im gezeigten Beispiel (jedoch ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) eine elliptische Geometrie. Eine im Betrieb des optischen Elements bzw. des dieses Element aufweisenden optischen Systems erfolgende Beaufschlagung der optischen Wirkfläche 801 mit elektromagnetischer Strahlung bewirkt wie schon einleitend beschrieben eine thermale Ausdehnung des optischen Nutzbereichs, wobei zur Vermeidung von thermisch induzierten mechanischen Spannungen und damit einhergehenden optischen Aberrationen ein aus einer Mehrzahl von Gelenksegmenten 810 aufgebautes und den optischen Nutzbereich bzw. die optische Wirkfläche 801 umgebendes Entkopplungsgelenk vorgesehen ist. Mit „815“ sind Freischnittbereiche zwischen benachbarten Gelenksegmenten 810 dieses Entkopplungsgelenks bezeichnet.
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Wie durch die in 8 eingezeichneten Pfeile dargestellt verläuft die Belastungsrichtung der vorstehend beschriebenen thermalen Belastung des optischen Elements in radialer Richtung bezogen auf einen Mittelpunkt der optischen Wirkfläche 801. Des Weiteren sind, wie aus 8 ersichtlich, die einzelnen Gelenksegmente 810 des Entkopplungsgelenks jeweils im Wesentlichen senkrecht zu dieser Belastungsrichtung angeordnet, wodurch insbesondere eine unerwünschte Biegebeanspruchung der Gelenksegmente vermieden wird. Wie gleichfalls in 8 dargestellt führt diese zur Belastungsrichtung senkrechte Anordnung der Gelenksegmente zu einer kreisförmigen Gesamtanordnung der Gelenksegmente mit der Folge, dass ein erheblicher Bauraumbedarf entsteht.
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1 zeigt nun eine zu 8 analoge schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Baugruppe in einer beispielhaften Ausführungsform. Die Baugruppe gemäß 1 weist zunächst in zu 8 analoger Weise ein optisches Element mit - im Ausführungsbeispiel wiederum elliptischer - optischer Wirkfläche 101 auf, welches von einer Halterung 105 umgeben ist, wobei zur Vermeidung einer mit thermaler Ausdehnung des optischen Nutzbereichs bzw. der optischen Wirkfläche 101 einhergehenden mechanischen Verspannung ein aus einer Mehrzahl von Gelenksegmenten 110 aufgebautes Entkopplungsgelenk vorgesehen ist. Zur Vermeidung einer unerwünschten Biegebeanspruchung des Entkopplungsgelenks bzw. der Gelenksegmente 110 sind diese Gelenksegmente 110 wiederum im Wesentlichen senkrecht zur bezogen auf den Mittelpunkt der optischen Wirkfläche 101 radial verlaufenden Belastungsrichtung der Thermalbelastung angeordnet.
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Im Unterschied zum Aufbau von 8 erfolgt jedoch im Aufbau gemäß 1 hinsichtlich einiger der Gelenksegmente ein relativer Versatz zueinander in Belastungsrichtung mit der Folge, dass nicht mehr sämtliche Gelenksegmente 110 entlang ein- und desselben Kreisumfangs angeordnet sind, sondern vielmehr (entsprechend den gestrichelt in 1 eingezeichneten, konzentrisch angeordneten Kreisen) einige der Gelenksegmente 110 näher am Mittelpunkt der optischen Wirkfläche 101 angeordnet sind als andere der Gelenksegmente 110.
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Wie aus 1 erkennbar wird auf diese Weise der von der Baugruppe insgesamt in Anspruch genommene Bauraum im Vergleich zur Anordnung von 8 erheblich reduziert, wobei zugleich die spannungsoptimierte (und im konkreten Beispiel zur Belastungsrichtung senkrechte Anordnung) der Gelenksegmente 110 beibehalten wird.
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Der vorstehend beschriebene Relativversatz von Gelenksegmenten 110 in Belastungsrichtung kann im Sinne einer stärkeren Diskretisierung (d.h. einer noch feineren Segmentierung) des Entkopplungsgelenks auch für eine noch größere Zahl von Gelenksegmenten erfolgen, womit letztlich eine noch bessere Anpassung an die äußere Kontur des optischen Nutzbereichs bzw. der optischen Wirkfläche 101 des optischen Elements erzielt werden kann.
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Eine mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßes Entkopplungsgelenks bzw. der zugehörigen Gelenksegmente ist in einer ersten Ausführungsform ist in 4b im Schnitt und in 4c in perspektivischer Darstellung gezeigt, wobei aufeinanderfolgende Gelenkabschnitte mit „411“, „413“, „412“ und zwischen diesen jeweils befindliche Drehlager mit „414“, „415“ bezeichnet sind. Gemäß der schematischen Darstellung in 4a können zur umfangseitigen Einfassung eines optischen Elements mehrere solcher Entkopplungsgelenke in Umfangsrichtung benachbart zueinander und durch Freischnitte 416 voneinander getrennt angeordnet sein, wobei 4b eine Schnittansicht entlang der Linie „A-A“ aus 4a zeigt. Hinsichtlich der verwendeten Terminologie für die Benennung der einzelnen Freiheitsgrade wird auf das Diagramm in 7 verwiesen.
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Zusätzlich zu der erzielten Bauraum- bzw. Volumeneinsparung kann durch den erfindungsgemäßen Versatz der Gelenksegmente in Belastungsrichtung für die im Vergleich zur Anordnung von 8 radial nach innen versetzten Gelenksegmente 110 in vorteilhafter Weise auch eine Reduzierung der in Belastungsrichtung auftretenden mechanischen Spannung erreicht werden. Insbesondere kann in den einzelnen Gelenksegmenten auch eine Anpassung der Gelenkgeometrie bzw. Gelenkquerschnitte zur abschnittsweisen Optimierung des Entkopplungsgelenks hinsichtlich mechanischer Spannung sowie Steifigkeit erfolgen. Eine hierzu beispielhafte Ausführung ist in 5 aufbauend auf der Anordnung aus 1 gezeigt.
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Das in 5 analog zu 1 in Draufsicht dargestellte Entkopplungsgelenk weist Gelenksegmente 510, 511 und 512 auf, für welche mögliche Ausführungsbeispiele in 6a-6b im Schnitt dargestellt sind. Je größer der Abstand der Gelenksegmente 510, 511 und 512 zum Ausgangspunkt der thermalen Ausdehnung (in der Darstellung von 5 ersichtlich als Radius des zugehörigen Kreises) ist, umso höher sind die auftretenden mechanischen Spannungen bei gleichbleibendem Gelenkquerschnitt. Zur Reduzierung dieser Spannungen ist der Gelenkquerschnitt weniger steif auszuführen. Eine geringere Gelenksteifigkeit kann lediglich beispielhaft, wie in 6a gezeigt, durch eine Reduzierung des Flächenträgheitsmoments (geringere Höhe und Breite des Querschnitts) oder, wie in 6b gezeigt, durch eine größere Biegelänge erreicht werden. Des Weiteren kann eine Variation der Gelenksteifigkeit auch durch Änderung der Verrundungen zwischen aufeinanderfolgenden Gelenkabschnitten erreicht werden. Die Reduzierung der Gelenksteifigkeit führt allerdings auch zu deutlich niedrigeren Eigenfrequenzen des Systems. Wenn in sämtlichen Gelenksegmenten 510, 511 und 512 die Steifigkeit der Gelenke in gleichem Maß reduziert wird, werden ggf. Vorgaben hinsichtlich kritischer Werte der Eigenfrequenzen nicht mehr eingehalten. In einer abschnittsweisen Optimierung können gemäß 6a oder 6b das Gelenksegment 512 bzw. 512' mit den höchsten mechanischen Spannungen mit einem besonders weichen Gelenkquerschnitt ausgelegt und die Gelenksegmente 510 und 511 bzw. 510' und 511' mit geringeren mechanischen Belastungen mit steiferen Gelenkgeometrien versehen werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung des möglichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Baugruppe in einer weiteren Ausführungsform, wobei im Vergleich zu 1 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „100“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind.
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Bei dem der Ausführungsform von 2 zugrundeliegenden Szenario wird davon ausgegangen, dass die Belastungsrichtung einer mechanischen Beanspruchung eines die optische Wirkfläche 201 aufweisenden optischen Elements nicht entsprechend 1 in radialer Richtung, sondern in einer konstant linearen Richtung (im Beispiel entlang der y-Richtung in dem in 2 eingezeichneten Koordinatensystem) verläuft. Lediglich beispielhaft kann es sich bei der betreffenden mechanischen Belastung um eine während eines Transports des optischen Elements bzw. des dieses Element aufweisenden optischen Systems auftretende Stoß- bzw. Schockbelastung handeln.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, erfolgt auch in dieser Ausführungsform ein Relativversatz von einigen der Gelenksegmente 210 des Entkopplungsgelenks zueinander in Belastungsrichtung. Des Weiteren sind auch in der Ausführungsform von 2 die Gelenksegmente selbst analog zu 1 senkrecht zur Belastungsrichtung, d.h. entlang der y-Richtung im eingezeichneten Koordinatensystem, angeordnet. Insgesamt wird somit auch bei dieser Ausführungsform bei spannungsoptimierter Anordnung der Gelenksegmente 210 eine signifikante Bauraumeinsparung erzielt. Des Weiteren kann auch in der Ausführungsform von 2 analog zu 1 durch weitere Steigerung der Segmentierung bzw. Diskretisierung des Entkopplungsgelenks eine zunehmende Anpassung der geometrischen Anordnung an die äußere Kontur der optischen Wirkfläche 201 bzw. des optischen Nutzbereichs erzielt werden.
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3 zeigt eine zu 1 bzw. 2 analoge weitere schematische Darstellung, wobei wiederum im Vergleich zu 1 analoge bzw. im Wesentlichen funktionsgleiche Komponenten mit um „200“ erhöhten Bezugsziffern bezeichnet sind. Die Baugruppe gemäß 3 unterscheidet sich von derjenigen gemäß 1 insbesondere dadurch, dass die Gelenksegmente 310 als Biegebalken mit im Wesentlichen rechteckigem Querschnitt zur Erzielung einer biegeweichen Ausgestaltung des Entkopplungsgelenks ausgestaltet sind.
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Die einzelnen Gelenksegmente 310 sind senkrecht zur radialen Richtung der thermalen Ausdehnung angebracht. In analoger Weise zu der in 5 gezeigten abschnittsweisen Optimierung der Gelenke können auch in 3 die Biegebalken durch Anpassung des Flächenträgheitsmoments (Höhe und Breite des Querschnitts) und der Biegelänge hinsichtlich der Steifigkeit modifiziert werden.
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Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind, und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008009600 A1 [0003]
