JP5710613B2 - 光学要素のための保持装置 - Google Patents

Description

本発明は、受容される光学要素を取り囲む基本構造と光学要素を基本構造上で支持することができる装着デバイスとを有する光学要素のための保持装置に関する。更に、本発明は、保持装置を含む光学系のためのマニピュレータユニットに関する。

光学要素のための保持装置は、光学系に使用され、装着に必要な精度は、それぞれの使用目的に依存する。

光学要素の外側円周領域において少なくとも３つの関節点を通じて光学構成要素を担体に対して装着するためのアセンブリは、ＷＯ ２００７／０１７０１３ Ａ２から公知であり、光学要素は、弾性要素によって関節点を通じて少なくとも１つの方向に圧入方式で保持される。この場合、弾性要素は、光学要素を静的判断方式で保持する装着デバイス内に位置付けられる。

光学系、例えば、レーザプリンタの光学系における円柱レンズのための調節可能マウントは、ＵＳ ５，２２０，４６０から公知である。マウントは、担体要素を含み、これは、光軸（ｚ軸）と垂直に配置され、かつ一定の力の作用下で円柱レンズが収まる平坦面を有する。ＵＳ ５，２２０，４６０では、円柱レンズの曲率半径をｙ軸と呼び、円柱レンズの軸線方向と平行に延びる軸をｘ方向と呼ぶ。調節可能マウントは、調節時に光軸回りの回転移動と曲率方向の並進移動とを可能にすることが意図されている。この目的のために、円柱レンズは、継手として機能するリブと、バネ要素と、２つの位置決めネジとを用いてｘ−ｙ平面内で互いに反対のコーナに装着される。一方、レーザプリンタにおける用途では、光軸と垂直に延びる２つの軸の回りの傾斜は、円柱レンズが置かれる平坦面によって十分に保証されることになる。

光学要素は、材料加工デバイス、例えば、レーザ焼き鈍しデバイスにおいても使用される。この種の光学系は、例えば、ＷＯ ２００６／０６６７０６において説明されている。この種のデバイスでは、層、例えば、特にシリコン層を基板上に溶着させるためにレーザビームが使用される。この場合、レーザビームは、溶着される層の上に非常に幅狭の線ビームとして当たる。レーザビームが、「パネル」として公知の基板の上に平面方式で案内されるように、層とレーザビームは、レーザビームによって形成される線に対して横向きに互いに対して変位される。

これらのデバイスが、長いが非常に幅狭の視野を照明するので、円柱レンズ、すなわち、１つの曲率方向のみを有するレンズが使用される。

この種の用途は、非常に高い精度を要求する。システムの加熱に起因する変形を防止するか又は少なくとも低く保つために、低い熱膨張係数を有する材料、例えば、インバーを使用することは公知である。しかし、この種の材料は非常に高価である。

ＷＯ ２００７／０１７０１３ Ａ２ ＵＳ ５，２２０，４６０ ＷＯ ２００６／０６６７０６

従って、本発明の目的は、特に加熱に起因する光学要素の望ましくない変位、及び／又は回転又は偏心を防止又は少なくとも低減する光学要素のための保持装置を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の保持装置及び請求項１６に記載のマニピュレータユニットによって達成される。好ましい実施形態を従属請求項に明記する。請求項の全ての文言は、引用によって本明細書に組み込まれている。

本発明の一態様により、受容される光学要素を取り囲む基本構造と、光軸の回りの回転移動及び光軸と垂直に延びて光軸と中心で交わる第１の軸に沿った並進移動に対する２つの自由度で光学要素を基本構造上に支持することができる装着デバイスとを有する光学要素のための保持装置を提供し、装着デバイスは、中心に対して点対称に配置された４つの継手位置と、第１の軸と平行に変位させることができる少なくとも１つの平行ロッカーとを含む。継手位置の点対称装置は、加熱に起因する膨張中に受容された光学要素が偏心状態になるのを防止する。装着デバイスの自由度は、調節が可能であることを保証する。一実施形態では、平行ロッカーの反対方向の移動が光学要素の光軸回りの回転移動を引き起こすような方法で光学要素に結合された２つの平行ロッカーが設けられる。

特に、円柱レンズは、２つの極めて敏感な芯出し方向を有するので、この保持装置は、特に円柱レンズに対して有利である。特に、光軸回りの回転変位、及び曲率方向と平行、すなわち、円柱軸に対して垂直な並進変位は、関連付けられた光学系の精度に対して円柱レンズにおいて有意な影響を有する。従って、本発明による保持装置は、これらの方向の調節を可能にする適切な自由度を有する。

好ましくは、装着される光学要素を担持し、かつ装着デバイスが作用する内側構造が設けられる。内側構造は、光学要素に強固に接続される。一構成では、内側構造は、板状に構成され、入射光ビームに対する開口を有する。内側構造は、例えば、円形又は楕円形に構成される。更に、実質的に矩形の内側構造は、円柱レンズを受け取るのに有利である。他の構成では、内側構造は、光学要素を各々が部分的に担持する複数の構成要素を含む。

好ましくは、継手位置の各々は、内側構造を基本構造に結合するピボットアームを有する。ピボットアームの各々は、好ましくは、光軸と平行に延びる軸の回りに回転可能であるように基本構造に関節接合される。例えば、関節接合は、単軸ピボット継手又は固定本体傾斜継手を用いて実施される。調節時の調節移動は、ピボットアームを通じて内側構造に及び従って光学要素に伝達される。

有利な構成では、ピボットアームの各々は、少なくとも１つの結合ロッドを通じて内側構造に接続される。結合ロッドは、好ましくは、各場合にピボット継手又は固定本体傾斜継手をその端部に有する。別の構成では、ピボットアームは、各場合に少なくとも１つの板バネ継手を通じて内側構造に接続される。結合ロッド又は対応する板バネ継手の各々は、基本位置において、関連の継手位置と中心の間の接続線に対して実質的に垂直に配置される。言い換えれば、結合ロッドは、基本位置において、中心の周りで継手位置を通る仮想周囲に対して実質的にタンジェンシャルに配置される。従って、膨張中に、結合ロッドは、仮想周囲のラジアル方向に屈することができ、従って、加熱に起因する膨張を偏心なしに補償することができる。

好ましくは、少なくとも１つのピボットアーム、好ましくは、２つのピボットアームは、少なくとも１つの平行ロッカーに関節接合される。この場合、ピボットアームは、好ましくは、平行ロッカーの変位中に２つのピボットアームが同じ方向の回転を実行するように平行ロッカーに連結される。この場合、平行ロッカーへの連結により、ピボットアームの反対方向の回転が防止される。一実施形態では、少なくとも１つのピボットアーム、好ましくは、２つのピボットアームが各々に関節接合された２つの平行ロッカーは、平行ロッカーの反対方向の移動が光学要素の光軸の回りの回転移動を引き起こすような方法で設けられる。有利な構成では、平行ロッカーは、好ましくは、各々がその２つの端部にピボット継手又は傾斜継手を有する２つの結合ロッドを通じて基本構造に接続される。この場合、平行ロッカーは、平行ロッカーの線形変位可能性が簡易方式に実施されるように、光軸に対して垂直な平面内で結合ロッド及び基本構造と平行四辺形を形成する。１つ又は複数のピボットアームは、好ましくは、結合ロッドを通じて関連付けられた平行ロッカーに連結される。特に、少なくとも基本位置において平行ロッカーと平行に配置された結合ロッドは、移動又は変位の良好な導入に対して有利である。

装着デバイスは、好ましくは、第１の軸、及び／又は第１の軸及び光軸と垂直に延びる第２の軸に対して鏡面対称に具現化される。この場合、加熱に起因する内側構造及び／又は光学要素の膨張に対する簡単な補償が、等しいか又は少なくとも機能的に同等の構成要素によって達成される。

更に別の構成では、少なくとも１つの平行ロッカーに対して作用する少なくとも１つの調節ユニットが設けられる。好ましくは、各々が平行ロッカーに対して作用する少なくとも２つの調節ユニットが設けられる。他の構成では、２つの調節ユニットは、正及び負の方向の変位に向けて各平行ロッカーに対して作用する。光学要素の調節のために、調節ユニットを用いて２つの平行ロッカーを同じ方向又は反対方向に変位させることができる。設定係合の種類に基づいて、光学要素の向きが適宜調節される。本発明に関連して使用することができる調節ユニットは、位置決めネジ、空気及び／又は水圧作動可能ピストン、及び／又は電動位置決めドライブなどを含むいずれかの望ましい手動、力、及び／又はモータ作動可能な位置決め手段である。光学要素はまた、調節ユニットを用いて静的に判断された向きに保持される。

この目的はまた、本発明による保持装置を有するマニピュレータユニットによって達成される。この種のマニピュレータユニットは、例えば、ＷＯ ２００６／０６６７０６に記載のシステムにおいて有利に使用することができる。

以上の特徴及び更に別の特徴は、特許請求の範囲からだけでなく、本明細書及び図面からも明らかになり、個々の特徴の各々は、本発明及び他の分野における実施形態において単体で又は部分結合の形態で融合して達成することができ、有利かつ同じく独立に特許請求可能な実施形態を表すことができる。

光学要素の変位又は回転のないマニピュレータユニット上の概略平面図である。 光学要素のｘ軸に沿った変位中の図１に記載のマニピュレータユニット上の概略平面図である。 光学要素のｚ軸回りの回転中の図１に記載のマニピュレータユニット上の概略平面図である。 加熱に起因する光学要素の変形中の図１に記載のマニピュレータユニット上の概略平面図である。 図１と類似のマニピュレータ要素上の概略平面図である。

図１は、光学要素１０のためのマニピュレータユニット１上の略斜視図である。光学要素１０は、例えば、円柱レンズである。

図１は、中心０、並びに座標ｘ、ｙ、及びｚを有する直交座標系を示している。この場合、光の方向又は光軸をｚ軸と呼ぶ。円柱レンズの曲率方向をｘ軸と呼び、円柱レンズの軸（円柱軸）の方向と平行に延びる軸をｙ軸と呼ぶ。

円柱レンズは、基本的に少なくとも２つの敏感な芯出し方向を有し、すなわち、薄板方向と垂直に延びるｚ軸回りの回転移動と、曲率方向、すなわち、ｘ軸方向の変位とを有する。

例示しているマニピュレータユニット１は、外側構造又は基本構造３と、基本構造３上に光学要素１０を支持する装着デバイス４とを有する保持装置を含む。例示している例示的な実施形態では、光学要素１０は、内側構造２上に配置され、装着デバイス４は、内側構造２を基本構造に結合する。装着デバイス４は、直交座標系の中心０に対して点対称に配置された４つの継手位置４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを含む。例示している例示的な実施形態では、内側構造２は、上から見て矩形に実施され、継手位置４ａから４ｄは、内側構造２の４つのコーナで機能する。更に、装着デバイス４は、ｘ軸及びｙ軸に対して鏡面対称である。

装着デバイス４は、更に、ｘ軸と平行に変位可能であるように基本構造３上に配置された２つの平行なロッカー５１、５２を含む。平行ロッカー５１、５２は、この場合、結合ロッド５１１、５１２、５２１、５２２によって基本構造３に連結され、２つの結合ロッド５１１、５２１及び５１２、５２２それぞれが、２つの平行なロッカー５１及び５２それぞれに設けられる。結合ロッド５１１、５２１及び５１２、５２２は、それぞれ関連付けられた平行ロッカー５１又は５２と平行四辺形をそれぞれ形成する。

平行ロッカー５１、５２をｘ軸と平行に変位させることができる調節ユニット６１又は６２が、平行ロッカー５１、５２に対して作用する。２つの平行ロッカー５１、５２は、ｘ軸に対して鏡面対称に配置される。

継手位置４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの各々は、ピボット継手４０１、４０２、４０３、４０４を通じて基本構造３に接続され、かつ関連付けられた平行ロッカー５１、５２及び内側構造２に関節接合されるピボットアーム４１、４２、４３、４４を含む。ピボットアーム４１から４４は、この場合、結合ロッド４１１、４１２、４１３、４１４、４２１、４２２、４２３、４２４を用いて平行ロッカー５１、５２及び内側構造２に連結される。この場合、平行ロッカー５１、５２へのピボットアーム４１から４４のリンクは、平行ロッカー５１又は５２のｘ軸と平行な変位中に平行ロッカー５１又は５２にそれぞれ関連付けられた２つのピボットアーム４１、４２及び４３、４４が同じ方向の回転を実行するように選択される。その一方、平行ロッカー５１又は５２に取り付けられたピボットアーム４１、４２及び４３、４４の反対方向の回転は、それぞれ、平行ロッカー５１又は５２にリンクすることによって防止される。ピボットアーム４１、４２、４３、４４は、平行ロッカー５１、５２の移動を内側構造２に伝達する。平行ロッカーとピボットアーム４１、４２、４３、４４の間の結合ロッド４２１、４２２、４２３、４２４の各々は、例示している基本位置では平行ロッカー５１、５２に実質的に平行に配置される。

図２は、光学要素１０を有する内側構造２のｘ方向の変位を略示している。この目的で、調節ユニット６１、６２は、平行ロッカー５１、５２が矢印で例示しているように負のｘ方向に変位するように駆動される。平行ロッカー５１に接続されるピボットアーム４１、４２は、正のｙ方向に見て平行ロッカー５１の下に位置決めされる。平行ロッカー５１、５２の負のｘ方向の変位に起因して、平行ロッカー５１に関連付けられたピボットアーム４１、４２は、反時計方向にピボット回転される。その一方、第２の平行ロッカー５２に関連付けられたピボットアーム４３、４４は、正のｙ方向に見て平行ロッカー５２の上に位置決めされ、平行ロッカーの負のｘ方向の変位に起因して時計方向にピボット回転される。ピボットアーム４１から４４のピボット回転は、光学要素１０を有する内側構造２を基本構造３に対して正のｘ方向に変位させる。

図３は、内側構造２及び従って光学要素１０のｚ軸回りの回転移動を引き起こすための調節ユニット６１、６２の駆動を略示している。例示している例示的な実施形態では、ｚ軸回りの正の回転移動は、反時計方向の回転に対応する。この種の回転移動を引き起こすために、正のｙ方向に配置された（図３の上部に例示しているように）平行ロッカー５１に関連付けられた調節ユニット６１は、関連付けられた平行ロッカー５１が正のｘ方向に変位するように作動される。その一方、第２の調節ユニット６２は、関連付けられた平行ロッカー５２が負のｘ方向に変位するように作動される。平行ロッカー５１、５２の２つの異なる方向の変位は、全てのピボットアーム４１、４２、４３、４４に同じ回転方向の回転移動を行わせる。例示している例示的な実施形態では、平行ロッカー５１、５２の例示している移動の結果として、全てのピボットアーム４１から４４が時計方向に回転移動させられる。内側構造２へのピボットアーム４１から４４の回転移動の伝達は、例示しているように、ｚ軸回りの正の回転移動による内側構造２の調節をもたらす。

シリコンパネルのための再結晶のための設備における光学要素１０の使用時には、光学要素１０上に非常に高い光パワーが発生する。従って、光学要素１０は、高い光パワーに起因して加熱される場合がある。例示している例示的な実施形態では、加熱に起因する光学要素１０の点対称膨張中の偏心を防止するために、結合ユニット４ａから４ｄは、中心０に対して点対称に配置される。

図４は、光学要素１０とそれに接続した内側構造２との加熱に起因するラジアル膨張を略示している。ラジアル膨張は、内側構造２とピボットアーム４１から４４との間に配置された結合ロッド４１１、４１２、４１３、及び４１４にピボット回転移動を補償させ、すなわち、光学要素１０を偏心させることなしに内側構造２の中心膨張を補償させる。結合ロッド４１１、４１２、４１３、４１４は、中心０の周りの仮想周囲に対して実質的にタンジェンシャルに配置される。各々が共通の平行ロッカー５１、５２に関連付けられた結合ロッド４１１、４１２は、この場合、結合ロッド４１１、４１２が膨張に起因して反対方向にピボット回転されるように配置される。この場合、結合ロッド４１１、４１２のピボット回転に起因して、平行ロッカーに対して作用するあらゆる力は互いに相殺される。従って、膨張中に、結合ロッド４１１、４１２、４１３、４１４は、例示しているように仮想周囲のラジアル方向に動き、すなわち、光学要素１０を偏心させることなしに加熱に起因する膨張を補償することができる。

図５は、本発明によるマニピュレータ１の第２の例示的な実施形態を略示している。図５に記載のマニピュレータユニット１は、図１から図４に記載のマニピュレータユニット１に実質的に対応する。等しいか又は類似の構成要素には一律の参照番号を用いており、これらの構成要素に対しては詳細には説明しない。図５に記載の実施形態では、ピボットアーム４１から４４と内側構造２との間、基本構造３と平行ロッカー５１、５２の間の継手位置の各々は、固定本体継手、特に、固定本体傾斜継手によって実施される。同様に結合ロッド４１１から４１４、４２１から４２４、５１１、５１２、５２１、５２２は、板バネ継手によって置換される。

固定本体継手を有する図５に記載のマニピュレータユニット１は、特に小型に製造することができ、高い精度を保証する。板バネ継手の代わりに、各々が端部に固定本体傾斜継手を有する結合ロッドを設けるように考えることもできる。

０ 中心
３ 基本構造
４ 装着デバイス
４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 継手位置
１０ 光学要素
５１，５２ 平行ロッカー
ｘ 第１の軸

Claims (12)

1. 収容される光学要素（１０）を取り囲む基本構造（３）と、光軸（ｚ）の回りの回転移動及び該光軸（ｚ）と垂直に延びて該光軸（ｚ）と中心（０）で交わる第１の軸（ｘ）に沿った並進移動に対する２つの自由度で該光学要素（１０）を該基本構造（３）上に支持することができる装着デバイス（４）とを有する光学要素のための保持装置であって、
   前記装着デバイス（４）が、前記中心（０）に対して点対称に配置された４つの継手位置（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）を含み、
   前記継手位置（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）の各々が、前記光学要素（１０）に結合され、かつピボット継手（４０１，４０２，４０３，４０４）を通じて前記基本構造（３）に接続されるピボットアーム（４１，４２，４３，４４）を含み、
   その各々が前記第１の軸（ｘ）と平行に変位可能に前記基本構造（３）に接続される２つの平行ロッカー（５１，５２）が設けられ、かつ該２つの平行ロッカー（５１，５２）の各々に対して２つのピボットアーム（４１，４２，４３，４４）が関節接合され、
   前記平行ロッカー（５１，５２）の反対方向の移動が前記光学要素（１０）の前記光軸（ｚ）の回りの回転移動を引き起こす、
   ことを特徴とする保持装置。
2. 装着される光学要素（１０）を担持し、かつ前記装着デバイス（４）が作用する内側構造（２）が、設けられることを特徴とする請求項１に記載の保持装置。
3. 前記ピボットアーム（４１，４２，４３，４４）は、各場合に少なくとも１つの第１の結合ロッド（４１１，４１２，４１３，４１４）を通じて前記内側構造（２）に接続されることを特徴とする請求項２に記載の保持装置。
4. 前記第１の結合ロッド（４１１，４１２，４１３，４１４）の各々が、関連の継手位置（４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ）と前記中心（０）の間の接続線に対して実質的に垂直に配置されることを特徴とする請求項３に記載の保持装置。
5. 前記ピボットアーム（４１，４２，４３，４４）は、各場合に少なくとも１つの板バネ継手（４１１，４１２，４１３，４１４）を通じて前記内側構造（２）に接続されることを特徴とする請求項２に記載の保持装置。
6. 平行ロッカー（５１，５２）の前記少なくとも１つは、少なくとも２つの第２の結合ロッド（５１１，５２１）を通じて前記基本構造（３）に接続されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の保持装置。
7. 前記少なくとも１つのピボットアーム（４１，４２，４３，４４）は、第３の結合ロッド（４２１，４２２，４２３，４２４）を通じて前記平行ロッカーに接続されることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の保持装置。
8. 前記第３の結合ロッド（４２１，４２２，４２３，４２４）の各々が、基本位置で前記平行ロッカー（５１，５２）に対して実質的に平行に配置されることを特徴とする請求項７に記載の保持装置。
9. 前記装着デバイス（４）は、前記第１の軸に対して鏡面対称に具現化されることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の保持装置。
10. 前記装着デバイスは、前記第１の軸（ｘ）と垂直にかつ前記光軸（ｚ）と垂直に前記中心（０）を通って延びる第２の軸（ｙ）に対して鏡面対称に具現化されることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の保持装置。
11. 前記少なくとも１つの平行ロッカー（５１，５２）に作用する少なくとも１つの調節ユニット（６１，６２）が設けられることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の保持装置。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の保持装置を有するマニピュレータユニット。

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