KR20110013330A

KR20110013330A - 광학 시스템 특히 조명 시스템에서의 광학 장치

Info

Publication number: KR20110013330A
Application number: KR1020100074247A
Authority: KR
Inventors: 후버트 홀더러; 요하네스 리퍼트; 아르민 쇼파크
Original assignee: 칼 짜이스 레이저 옵틱스 게엠베하
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2010-07-30
Publication date: 2011-02-09
Also published as: US8456615B2; DE102009035788B4; US20110025992A1; KR101668875B1; JP5643013B2; DE102009035788A1; JP2011034965A

Abstract

본 발명은 광학 시스템 특히, 조명 시스템에 있어서의 광학 장치에 관한 것으로, 적어도 하나의 광학 소자(101, 201, 352, 370); 및 광학 소자(101, 201, 352, 370)에서 생성된 열 에너지를 광학 시스템의 외부 환경으로 적어도 부분적으로 배출하기 위한 적어도 하나의 열 방출 소자(120, 130, 220, 351, 360, 380)를 포함하되, 상기 열 방출 소자(120, 130, 220, 220', 351, 360, 380)는 광학 소자(101, 201, 352, 370)와의 직접적인 접촉없이 배열된다.

Description

광학 시스템 특히 조명 시스템에서의 광학 장치{OPTICAL ARRANGEMENT IN AN OPTICAL SYSTEM, IN PARTICULAR AN ILLUMINATION SYSTEM}

본 발명은 광학 시스템 특히 조명 시스템에서의 광학 장치에 관한 것이다.

전역적 또는 국부적 고레벨의 조명 출력 밀도를 이용한 광학 시스템의 동작에 있어서의 문제점은, 고레벨의 조명 출력 밀도 및 예를 들면 층에서의 흡수로 인해, 예를 들면 렌즈 및 관련 홀더 소자와 같은 광학 소자에서 온도가 상승하여 소자에 대해 팽창 또는 변형 현상 및/또는 기존 중간 공간에서의 대류를 유도하여, 촬상 특성에 악영향을 미치게 된다.

또한, 고레벨의 조명 출력의 경우, 예를 들면 마이크로리쏘그래피 투사 노광 장치에 이용되는 예를 들면 회절 광학 소자에서의 촬상 특성에 대해 예를 들면 무시할 수 없는 영향을 갖는 미광(stray light)으로 인해 조명 또는 촬상 공정에 대해 악영향이 증가 추세로 발생한다.

WO 2006/128613 A1은 제1 및 제2 서브 시스템 사이에 배열된 빔 편향 장치 외에도 3개의 서브시스템을 갖는 마이크로리쏘그래피 투사 노광 장치의 특히 투사 대물렌즈를 개시하는데, 빔 편향 장치의 영역에 제1 서브시스템으로부터 제3 서브시스템으로의 미광의 직접 전송을 감소하는 적어도 하나의 스크린이 제공된다.

DE 102 10 893 A1은 하우징내에 배치된 광학 구성 부품 특히 어퍼츄어 부재를 갖는 특히 광학 장치를 개시하는데, 성분은 광학 능동 제1 영역 및 적어도 부분적으로 제1 영역을 둘러싸는 광학 비능동 제2 영역을 갖는다. 광학 비능동 제2 영역은 하우징으로부터 열 방사체로 열을 방출시키기 위한 열 도전 소자에 연결되는데, 이는 광학 시스템의 특성의 열 드리프트를 감소시키기 위한 것으로, 이는 장치 부재의 온도 증가에 관련된다.

WO 2005/109104는 광학 능동 소자 및 이에 열 조전성으로 연결된 홀딩 소자를 갖는 광학 소자를 개시하는데, 홀딩 소자는 광학 소자로부터 열을 방출시키기 위한 능동 냉각 시스템을 갖는다.

본 발명의 목적은 광학 시스템 특히 조명 시스템에서의 광학 장치를 제공하는 것으로, 높은 조명 출력 밀도의 경우에도 광학 시스템내에 존재하는 열의 효과적인 방출이 가능하다.

이 목적은 독립 청구항 1의 특징에 의해 성취될 수 있다.

광학 시스템 특히 조명 시스템에서 본 발명에 따른 광학 장치는:

적어도 하나의 광학 소자; 및

상기 광학 소자내에서 생성된 열 에너지를 상기 광학 시스템의 외부 환경으로 적어도 부분적으로 방출하기 위한 적어도 하나의 열 방출 소자;

를 포함하되, 상기 열 방출 소자는 상기 광학 소자와 직접 접촉없이 배치된다.

본 발명에 따른 광학 장치에서, 상기 열 방출 소자가 상기 광학 소자와 직접 또는 즉시 접촉을 하지 않는다는 사실은 기계적 진동이 냉각 매체의 움직임으로부터 광학 시스템으로 전송되지 않아서 결국 예를 들면 렌즈와 같은 광학 소자를 여기하여 기계적 진동을 포함하도록 하는 순환 냉각 매체를 갖는 능동 냉각 장치에 의해 특히 효과적인 냉각이 영향을 받음을 의미한다. 그러나 본 발명은 순환형 냉각 매체를 갖는 냉각 장치의 존재에 국한되지 않고, 열 방출 소자에 의해 외부로 전달되는 열이 예를 들면 광학 시스템의 냉각 립(rib)에 의해, 대류 또는 열 방사에 의해, 또는 다른 적절한 방식에 의해 외부 환경으로 방출되는 장치를 기본적으로 포함한다.

실시예에서, 광학 소자는 적어도 하나의 홀더 소자에 의해 고정되는데, 열 방출 소자는 단지 상기 홀더 소자와 직접 접촉하여 배열된다. 이러한 방식으로, 한편으로는 냉각 매체의 움직임으로부터 홀더 소자로 기계적 진동이 전송되지 않고 순환 냉각 매체를 갖는 능동 냉각 장치에 의해 효과적인 냉각이 영향을 받는다. 다른 한편으로는, 홀더 소자와 관련하여 대안으로 고려되는 예를 들면 냉각 경로의 홀더 소자 자체로의 통합은 홀더 소자의 개구 또는 슬롯(예를 들면 고체 조인트 또는 메니퓰레이터를 위한 것)의 존재로 인하여 용이하게 이행될 수 없다는 점에 대해 열 방출이 영향을 받을 수 있다.

실시예에서, 홀더 소자는 제1 영역 및 제2 영역을 가지며, 제2 영역은 광학 시스템의 광축과 관련하여 제1 영역 외부의 방사상의 방향에서 배열되며, 열 방출 소자는 제2 영역에서만 홀더 소자와 접촉한다. 이는 (방사상 내부의) 제1 영역과 (방사상 외부의) 제2 영역 사이에서 스트레스 디커플링이 영향을 받을 수 있다는 이점을 갖는데, 여기서 상기 스트레스 디커플링은 열 방출 소자와의, 방사상으로 외부의 제2 영역에 있는, 접촉 영역에 의해 방해받지 않는다. 다시 말하면, 이러한 구조에서 메니퓰레이터 또는 고체 조인트의 피트먼트 영역(fitment region) 방사상으로 외부에 배치되는 영역은 열 방출 소자를 홀더 소자에 고정하는데 이용된다.

실시예에서, 열 방출 소자는 광 경로 개구를 가지며, 이 면적은 광학 시스템의 동작시 광학 소자를 통과하는 광 빔의 단면적의 200% 이하, 구체적으로는 120% 이하, 보다 구체적으로는 105% 이하이다. 다시 말하면, 열 방출 소자는 바람직하게는 광 빔과 관련하여 언급할 만한 크기의 미사용 중간 공간을 남기지 않고 광이 그냥 통과하도록 한다. 이러한 방법으로, 열 방출 소자의 가능한 최대 면적(광이 통과하는데 필요한 것으로 간주되는 나머지)을 통하여 열 도전이 발생할 수 있으며, 열 방출 소자의 재료가 최적 사용에 사용될 수 있다.

실시예에서, 광학 소자 및/또는 홀더 소자로부터의 열 도전이 광학 소자 및/또는 홀더 소자의 표면에 적어도 거의 수직으로 연장하는 방향으로 적어도 영역별(region-wise)으로 영향을 받는다. 이 방향에서 광학 소자(예를 들면, 렌즈) 또는 관련 홀더 소자의 단면적이 일반적으로 상대적으로 크므로, 열 도전을 위해 그 영역 또는 열 방출 소자의 재료를 가능한 최대로 활용할 수 있다. 또한, 홀더 소자 및 열 방출 소자는 열 전달 효과에 기여하는 전체 영역을 증가시키기 위하여 서로 요철형태가 될 수 있다.

실시예에서, 열 방출 소자는 광학 시스템의 광학적으로 사용된 영역 외부에 배열된다.

실시예에서, 열 방출 소자는 광원의 광이 방해받지 않고 상기 광학 시스템을 통과하는 것을 가능하게 하는 형상이다.

실시예에서, 적어도 두개의 열 방출 소자가 제공된다. 이들 열 방출 소자는 홀더 소자의 상호 대향측에 배열될 수 있다. 그러한 구조는 예를 들면 고체 조인트 또는 메니퓰레이터의 고정을 목적으로 홀더 소자가 개구 또는 슬롯의 형태의 열 장벽을 가지는 경우 특히 효과적이거나 적절할 수 있다.

실시예에서, 열 방출 소자는 열 전도성이 적어도 50W/km인 재료로 제조된다. 적절한 재료로는 특히 알루미늄으로서 이는 특히 광학 시스템이 또한 알루미늄 재료로 구성될 때 유리하며, 따라서 기계적 스트레스의 도입을 회피하면서도 각 열 팽창 계수를 채용을 제공할 수 있다. 예를 들면 구리와 같은 양호한 열 도전성을 갖는 다른 재료들의 이용이 또한 가능하다.

일 실시예에서, 열 방출 소자는 상기 광학 소자 및/또는 상기 홀더 소자에 대해 영역별로 일정 간격 떨어져 배열되는데, 이 간격은 2mm 이하이며, 구체적으로는 0.5mm 이하이며, 보다 구체적으로는 0.1mm 이하이다(특히, 예를 들면 ±10%, 바람직하게는 ±5%까지는 실질적으로 상수일 수 있다).

일 실시예에서, 열 방출 소자는 상기 광학 소자 및/또는 홀더 소자에 대응하는 형상을 가져서, 본 발명에 따른 열 도전은 이용 가능한 영역을 최대한 활용하거나 또는 포함하는 것 또는 열 방출 소자의 재료에 의해 영향을 받을 수 있다. 열 방출 소자는 특히 적어도 영역별로 플레이트 또는 시트 형태일 수 있다. 홀더 소자 및/또는 광학 소자는 또한 서로에 대해 접촉없는 요철형태일 수 있고, 상대적으로 볼록한 부분 및 오목한 부분이 연속인 상호 대응 표면을 가질 수 있다.

일 실시예에서, 홀더 소자는 미광에 의한 홀더 소자의 별도의 가열을 회피하기 위하여 고 반사층(HR 층)이 구비된다.

일 실시예에서, 열 방출 소자는 적어도 영역별로 흡수에 의해 미광을 타겟형으로 포착하고 생성된 열을 특히 효과적인 방식으로 외부로 방출하기 위한 흡수층(AR 층)을 구비한다.

일 실시예에서, 열 방출 소자는 자신을 통과하는 광원의 광을 가지며, 상기 광원은 에너지가 적어도 300 와트, 구체적으로는 800와트, 보다 구체적으로는 1200와트인 레이저이다.

홀더 소자는 적어도 하나의 열 장벽 특히 슬롯을 가진다. 또한, 홀더 소자는 적어도 하나의 고체 조인트 또는 메니퓰레이터를 가질 수 있다.

일 실시예에서, 본 발명에 따른 구조를 갖는 광학 시스템은 빔 단면에 걸쳐 레이저 광을 균질화하기 위한 조명 시스템이다.

본 발명은 광학 시스템에서 특히 조명 시스템에 있어서의 광학 구조와 관련되는 것으로:

- 적어도 하나의 홀더 소자에 의해 유지되는 적어도 하나의 광학 소자; 및

- 상기 광학 소자에서 생성된 열 에너지를 상기 광학 시스템의 외부 환경으로 적어도 부분적으로 방출하기 위한 적어도 하나의 열 방출 소자를 포함하되;

- 상기 열 방출 소자는 상기 광학 소자와 직접 접촉하지 않고 단지 상기 홀더 소자와 직접 접촉하도록 배열되며;

상기 홀더 소자는 적어도 하나의 열 장벽을 가지며;

- 상기 열 방출 소자는 상기 열 장벽의 영역에 걸쳐 연장한다.

본 발명은 예를 들면 레이저 결정화(예를 들면, 널리 알려진 ELA 방법, SLS 방법, TDX 방법 및 ZMR 방법), 레이저 경화, 레이저 절단, 레이저 용접 등을 위한 장치 및 방법에서 유리하게 이용될 수 있다.

본 발명은 따라서 레이저 재료 처리, 특히 레이저 결정화를 위한 장치에 관한 것이고, 이 장치는 상술한 특징을 갖는 광학 구조를 갖는다.

본 발명의 다른 구조는 이하의 상세한 설명 및 청구 범위에서 알 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조로 예로든 실시예를 통해 이하 상세히 설명된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 구조를 도시하는 도면.
도 2a-b는 본 발명의 다른 실시예의 도면.
도 3은 본 발명의 사용 예로서의 조명 시스템의 도면.
도 4는 본 발명의 예로서의 이용되는 레이저 결정화를 위한 장치의 도면.

먼저, 도 1은 단지 개략적인 것이며, 본 발명의 제1 실시예에 따른 구조를 도시하기 위한 것으로 실제 크기는 아니다.

도 1의 구조에서, 렌즈 형태인 광학 소자(101)는 홀더 소자(110)에 의해 유지되고, 주변 광선(S₁ 및 S₂)에 의해 범위가 제한되는 광 빔(S)이 통과하는데, 또한 도시된 좌표 시스템에서의 광 전파 방향은 z 방향이다. 광학 소자(101)를 홀더 소자(110)에 고정시키는 것은 도면의 간략화를 위해 생략되었고, 기본적으로는 임의의 방식으로 이행될 수 있다. 또한, 도 1에서의 홀더 소자(110)는 홀더 소자(110)내의 스트레스 디커플링 소자 및/또는 메니퓰레이터 소자를 수용하도록 된 복수개의 개구 또는 슬롯(111, 112, 113 및 114)을 가지며, 이에 대해서는 후술한다.

광학 시스템에서의 각각의 위치에 의존하여, 광학 소자(101)는 예를 들면 (원통형 또는 구형의)렌즈, 예를 들면 프리즘같은 투과형 소자 또는 거울일 수 있다.

도 1은 회전 대칭 광학 소자의 곡면의 중심점을 따라 연장하는 것으로 정의되는 광학 시스템의 광축(OA)을 점선으로 도시한다. 이 실시예에서 광 전파 방향 또는 z-방향으로 연장하는 광축(OA)의 주변으로 복수개의 냉각 통로(151)를 갖는 냉각제 본체 형태의 냉각 장치(150)가 배열되는데, 냉각 매체는 펌프(도시 없음)에 의해 유지되는 냉각제 회로내에서 순환한다.

냉각 장치(150)는 광학 시스템을 통과하는 광의 결과로서 광학 시스템내에서 특히 광학 소자(101)내에서 생성된(또한, 예를 들면 광학 소자(101)의 층(102, 103)에서 흡수된) 열을 적어도 부분적으로 방출하는 역할을 한다. 또한, 광학 시스템이 외부로부터의 온도 변이 또는 주변 공기를 통과하는 진동으로부터 보호되는 한 광학 시스템을 둘러싸는 냉각 장치(150)는 더욱 장점을 갖는다.

냉각 장치(150)의 냉각 통로(151)를 흐르는 냉각 매체는 액체(예를 들면, 물) 또는 가스일 수 있고, 바람직하게는 외부 냉각에 의해 유지되는 일정한 온도(예를 들면, 22℃)이며, 여기서 각각의 적절한 온도차는 이들의 표면 또는 구성 요소에 관련된 냉각 장치(150)의 공간에 의존하여 선형적이며, 여기서 열은 후술한 것처럼 방출될 수 있다.

열 방출이 본 발명의 필수 구성 요소로서 본 발명에 따른 광학 시스템에 영향을 주는 것을 구현하기 위해서, 적어도 하나의 열 방출 소자를 가지며 - 도 1에서는 두개의 열 방출 소자(120, 130)가 있음 -, 광학 소자(101)에 의해 주변 가스(공기 또는 질소와 같은 플러싱 가스)에 공급되는 열이 적어도 부분적으로 수신 또는 흡수되고, 열 방출 소자(120, 130)의 재료를 통해 냉각 장치(150)에 인접한 영역으로 도전되는 한, 그 기능은 특히 광학 소자(101)에서 냉각 장치(150)까지의 열 도전 섹션 위의 임시 브리지(bridge)에 대한 것이다.

도 1의 실시예는 두개의 열 방출 소자(120, 130)를 가지며, 양호하게는 일정 간격 또한 바람직하게는 최대 2mm를 제외하고는 광학 소자(101)에 대하여 소위 꼭 들어맞는 한, 방사상 내부 부위에서 열 방출 소자(120)는 광학 소자(101)에 대응하는 형상이어서, 이 영역에서의 열은 나머지 갭(140a, 140b)에 의해 광학 소자(101)로부터 열 방출 소자(120)까지의 열 도전에 의해 효과적으로 전송될 수 있으며, 열 방출 소자(120)의 유효 영역 또는 재료를 최대 사용할 수 있도록 한다.

방사상 외부 부분에서, 열 방출 소자(120)는 또한 방사상 내부 부분에 비해 더 큰 일정 두께이며, 이 영역에서 바람직하게는 갭 간격이 최대 2mm이며 방사상 외부로 홀더 소자(110)를 따라 연장한다. 그러므로 이 영역에서, z-방향의 열 도전에 의해 캡(140c)내에서의 예를 들면 질소 또는 공기와 같은 플러싱 가스에 의해 홀더 소자(110)로부터 열 방출 소자(120)까지의 열 전달이 있을 수 있으며, 열은 열 방출 소자(120)의 재료를 통해 냉각 장치(150)에 방사상 외부 방향으로 방출될 수 있다.

도 1에 도시된 것처럼, 제2 열 방출 소자(130)는 광학 소자(101) 또는 제1 열 방출 소자(120)에 대향 관계인 홀더 소자(110)의 측에 배열되고, 일정 갭 간격으로 바람직하게는 최대 2mm로 홀더 소자를 따라 방사상 외부로 연장하여, 홀더 소자(110)내에서 발생하는 열은 캡(140d)내의 가스를 통하여 z-축을 따른 방향으로 먼저 전송되어, 열 도전에 의해 방사상 외부로 냉각 장치(150)까지 연장한다.

열 방출 소자(120, 130)는 상대적으로 높은 열 전도성, 바람직하게는 적어도 50W/Km의 재료로 제조된다. 특히 적합한 재료는 알루미늄으로서, 이는 광학 시스템이 알루미늄 재료로 구축되는 경우 특히 유리하며, 따라서 기계적 스트레스 도입이 방지되면서도 각각의 열 팽창 계수의 적용을 성취하는 것이 가능하다.

다음으로 도 1에 도시된 것처럼, 냉각 장치(150)는 제1 또는 제2 열 방출 소자(120, 130)의 방사상 외측 단부로부터 또는 홀더 소자(11)로부터 5mm 이하, 바람직하게는 0.5mm 와 1mm 사이의 범위의 (바람직하게는 일정한)간격으로 배열된다.

광학 시스템의 광학 소자 또는 광학 홀더에 대해 일정 간격을 유지하거나 또는 직접 접촉을 회피하는 것은 냉각 장치(150)내에서 광학 시스템으로의 냉각 용액 흐름으로 인한 기계적 진동의 직접 또는 비감쇄 전송을 방지한다. 반면에, 열 방출 소자(120 또는 130)에 대한 적어도 실질적으로 균일한 간격(예를 들면, ±10%, 바람직하게는 ±5%의 간격의 변동까지)의 구현은 불규칙한 냉각 및 이에 따른 스트레스의 광학 시스템으로의 도입 또는 광학 시스템의 좌굴되는 정도의 광학 소자 또는 홀더 소자의 변형 및 광학 특성상 이와 연관된 악영향을 방지한다.

홀더 소자(110) 및 열 방출 소자 또는 소자들(120 또는 130)은 도 1에 도시된 것처럼 적어도 하나의 접촉 영역(125)을 가질 수 있어서, 방사상 내부의 갭(140a-c)에서의 가스 용적에 대한 이러한 방식으로 얻어진 기밀 성능은 관련 홀더 소자(110)와 함께 광학 소자를 실장하는 시스템 또는 광학 모듈의 가스 방지 기밀 성능을 보장한다. 도 1에 도시된 것처럼, 접촉 영역(125)은 광축(OA)에 대한 방사 방향으로 슬롯(111-114) 외부에 있어서, 예를 들면 이들 슬롯(111-114)에 의해 성취된 스트레스 디커플링은 열 방출 소자(120 또는 130)와의 접촉 영역(125)에 의해 방해되지 않는다.

다른 실시예에서, 냉각 장치(150)는 광학 시스템과 관련하여 조정되도록 설계될 수 있어서, 갭(150a)의 폭은 적절히 조정될 수 있다.

본 발명에 따른 열 방출 소자 또는 소자들(120, 130)의 기능을 보장하기 위하여, 한편으로는 각 광학 소자(101) 또는 홀더 소자(110)로부터 다른 한편으로는 냉각 장치(150)의 상술한 작은 간격 이외에, 증가된 열 저항의 영역 위로 브리지를 하기 위하여 광학 시스템의 형상을 적절히 선택하는 것이 중요하다.

증가된 열저항을 포함하는 이러한 영역은 특히 고체 조인트 또는 메니퓰레이터(예를 들면, x-y-메니퓰레이터)의 피트먼트를 위한 역할을 하는 상술한 슬롯(111, 112, 113 및 114)에 의해 도 1에 도시된다. 예를 들면 공기 갭(또는 플러싱 가스로 채워진 영역)이 각각이 열 도전에 대한 저항을 나타내는 이들 슬롯(111-114)에서 발생하므로, 도 1의 구조에서 제1 열 방출 소자(120) 및 제2 열 방출 소자(130) 각각은 각 슬롯(111-114)의 영역에 걸친 방사상으로 내부로 향하여 연장되며, 광축(OA)과 관련하여 방사형인 방향으로 제1 및 제2 열 방출 소자(120, 130)을 통해 슬롯(111-114)을 적어도 실질적으로 우회하여 효과적인 열 방출이 영향을 받는다.

본 발명에 따른 열 방출이 그러한 적어도 실질적으로 홀더 소자(110)를 우회하여 냉각 장치(150)로 향하는 것은 상술한 슬롯(111-114)이 존재하는 경우만 아니라 홀더 소자(110) 자신이 상대적으로 낮은 열 도전 계수를 갖는 재료(예를 들면, 고레벨의 경도 또는 높은 고유 주파수를 달성하기 위한 철강(steel) 또는 충분한 위치적 안정성을 보장하기 위한 인바(Invar) )로 제조되는 상황에서도 유리하거나 적절하다.

또한, 홀더 소자(110)에서의 광학 소자(101)에 대한 유지가 종종 상대적으로 큰 영역에 걸쳐서가 아니라(도 1에서 간략히 도시된 것처럼), 비교적 작은 지지점(일반적으로 3개)을 통해 되는 한, 증가된 열 저항의 영역이 있을 수 있다. 또한, 이 영역에서 이렇게 생산되는 추가 열 장벽은 본 발명에 따른 열 방출 효과에 의해 유리하게 브리지될 수 있다.

또한, 홀더 소자(110)가 미광에 의해 추가 가열되는 것을 회피하기 위하여 적어도 영역별로 강한 반사 속성(예를 들면, HR 층의 인가에 의함)이다. 또한, 추가로 또는 선택적으로, 미광이 높은 흡수에 의해 이들 영역내에 타겟 포착되고 이렇게 생성된 열이 각 열 방출 소자(120, 130)를 통해 냉각 장치(150)에 특히 효과적인 방식으로 방출되도록 열 방출 소자(들)은 전체 또는 부분적으로 흡수 코팅(AR 층)을 구비할 수 있다.

다른 실시예에서, 하나 이상의 열 방출 소자가 인접 홀더 소자와 일체화될 수 있다.

도 2a는 본 발명의 다른 실시예를 설명하는 도면을 도시하는데, 도 1과 비교할 때, 대등하거난 동일한 동작을 하는 구성 요소에 대해서는 도면 번호를 "100"을 증가하여 나타내었다. 하나의 열 방출 소자(220)만 있고, 추가 홀더 소자(210)가 이에 연결된 어떠한 슬롯 또는 열 장벽을 가지지 않는 한, 도 2a의 실시예는 도 1과 상이하다. 그러므로, 이하에 설명되는 것처럼, 추가 열 방출 소자 없이는 선택적으로만 가능하다. 특히 전술한 것처럼 예를 들면 홀더 소자(210)는 낮은 열 도전 계수를 갖는 재료로 제조되는 경우, 제2 열 방출 소자가 도 1과 유사하게 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 홀더 소자 자신이 열 방출 소자의 형태가 될 수 있다.

도 2b에 도시된 것처럼, 추가 실시예에서 나타낸 것을 통하여, (적어도) 하나의 홀더 소자(210') 및 (적어도)하나의 열 방출 소자(220')가 열 방출에 기여하는 표면적을 증가시키기 위해서 서로 요철형태이거나, 상대적으로 볼록한 부분과 오목한 부분이 연속인 상호 대응하는 표면을 가질 수 있다(도 2b에서 비접촉 관계 또는 갭 간격을 유지하는 것).

도 3은 본 발명의 구현되는 조명 시스템(300)의 개략도를 도시한다.

간략한 형태로 도시된 조명 시스템(300)은 레이저 광원(도 3에는 도시 없음)의 광을 가능한 균일하게 혼합하는 역할을 하며, 광 전파 방향으로(도시된 좌표 시스템에서 z-방향) 광 진입을 한정하는 링(310) 뒤로, 관련 홀더 소자(321)를 갖는 제1 렌즈(320) 및 제1 미광 어퍼츄어 부재(330)를 연속으로 갖는다. 미광 어퍼츄어 부재(330)는 미광을 타겟 포착하는 역할을 하며, 이러한 목적을 위해 우수한 흡수성을 제공하는 표면 처리가 되어 있다. 또한, 미광 어퍼츄어 부재(330)는 빔 경로 상 다음에 있는 홀더 소자로부터 비교적 멀리 떨어진 위치에 배치되어, 조명 시스템(300)내에서 플러싱 가스내의 열 도전에 의해 가능한 최소의 열이 이들 홀더 소자로 전달된다. 미광 어퍼츄어 부재(330)는 또한 상대적으로 큰 횡단면을 가져서, 열은 시스템의 외측부로 신속히 전송된다.

제1 미광 어퍼츄어 부재(330)의 빔 경로 상 다음은 홀더 소자(341)와 관련된 제2 렌즈(340)이고, 관련 홀더 소자(353)를 갖는 제3 렌즈(350)이다. 제3 렌즈(350)에 인접하게는 본 발명에 따른 열 방출 소자(351 및 360)가 배치되고, 이는 상술한 실시예에 따라 설계될 수 있다.

열 방출 소자(360)의 빔 경로상 다음에 또는 하류에 홀더 소자(371)와 관련된 제4 렌즈(370)가 배치되는데, 이는 본 발명에 따른 추가 열 방출 소자(380)와 관련되며, 이는 상술한 실시예에 따라 설계될 수 있다. 도 3에서 도시된 것처럼, 홀더 소자(371)는 홀더 소자(371) 자신을 통해 열 방출을 방해하는 열 장벽을 나타내는 개구 또는 슬롯(371a)을 가져서, 여기서 열 방출 소자(380)는 이미 상술한 것처럼 특히 효과적이다.

빔 경로상 다음은 관련 홀더 소자(396)에 의해 유지되는 제2 미광 어퍼츄어 부재(390) 및 제5 렌즈(395)가 있다.

도 3에서 이용된 예에서, 열 방출 소자(351, 360 및 380)는 렌즈(350, 370) 및 관련 홀더 소자(353, 371)에 각각 바로 옆 또는 인접한 곳에서 이용되어, 열의 흐름은 예를 들면 메니퓰레이터의 얇은 림(limb) 및 이렇게 형성된 열 장벽에 의해 방해되지 않는다. 오히려, 열 방출 소자와 렌즈 또는 홀더 소자 사이에 존재하는 얇은 공기 또는 가스 갭을 통해 열 방출 소자(351, 360 및 380)의 우수한 열 도전성을 갖는 재료로 열이 전송되며, 시스템의 외측부 또는 이에 배치된 냉각 장치(305)에 직접 전송되거나 짧은 거리를 통해 전송된다. 조명 시스템(300)은 단지 간략한 형태로 도시되었고, 특히 균일한 광 혼합에 기여하는 추가 소자를 가질 수 있다.

도 4는 레이저 재료 처리, 특히 레이저 결정화 또는 레이저 경화를 위한 장치의 일반적인 시스템의 개략도를 도시한다. 레이저 결정화(예를 들면, 공지된 ELA 방법, SLS 방법, TDX 방법 및 ZMR 방법) 또는 레이저 경화 외에도, 본 발명은 레이저 재료 처리 중 레이저 도핑(즉, 반도체의 도우펀트의 동작), 레이저 절단 또는 레이저 용접의 장치 및 방법 및 레이저 재료 처리의 다른 장치 및 방법에 적용될 수 있다.

조명 시스템(420)(도 3에 도시되어 있고, 도 3을 참조로 설명된 구조를 포함할 수 있음) 외에도, 도 4에서의 장치는 투사 광학 모듈(POM)(430)을 갖는다.

도 4에서 도시된 것처럼, 레이저 광원(410)에 의해 생성된 레이저 빔(405)은 먼저 편향 미러(415)를 통해 편향되고, 조명 시스템(420)을 통과하는데, 여기서 레이저 빔(405)은 그 단면에서 실질적인 변경없이 균일하게 혼합된다. 투사 광학 모듈(430)은 거의 정방형의 단면을 가지며 조명 시스템(420)으로부터 입사되는 레이저 빔(405)을 실질적으로 선형 단면으로 변환하는 다수개의 미러(이 중 2개의 미러(431 및 432)는 도 4의 예를 통해서만 나타남)를 가진다. 레이저 결정화를 포함하는 사용예에서, 이러한 방식으로 변환된 레이저 빔은 기판(450) 상의 실리콘(Si)층(440)에 영향을 미쳐서, 예를 들면 반도체 디스플레이의 생산의 역할을 하고 다른 종류(평면 스크린 텔레비젼 또는 셀룰러 전화기)의 전자 장치에 이용되는 패널을 포함할 수 있다. 기판(450)은 레이저 빔(405)의 방향(화살표 461의 방향)에 반대인 이동형 캐리어(460)를 통해 레이저 결정화 동작에 대해 위치 변경 가능하다.

본 발명이 특정 실시예를 참조하여 설명되었지만, 당업자라면 예를 들면 개별 실시예의 조합 및/또는 교체에 의해 수개의 변형 및 다른예가 가능함이 명백하다. 따라서, 당업자라면 그러한 변형 및 별도 실시예 또한 본 발명에 포함되며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구 범위 및 그 등가물에 의해서만 제한됨이 명백하다.

101: 광학 소자
110: 홀더 소자
111, 112, 113 및 114: 슬롯
150: 냉각 장치
151: 냉각 통로
120, 130: 열 방출 소자
125: 접촉 영역

Claims

광학 시스템 특히 조명 시스템에서의 광학 장치로서,
적어도 하나의 광학 소자(101, 201, 352, 370); 및
상기 광학 소자(101, 201, 352, 370)에서 생성된 열 에너지를 상기 광학 시스템의 외부 환경으로 적어도 부분적으로 방출시키기 위한 적어도 하나의 열 방출 소자(120, 130, 220, 220', 351, 360, 380)
를 포함하되, 상기 열 방출 소자(120, 130, 220, 220', 351, 360, 380)는 상기 광학 소자(101, 201, 352, 370)와 직접 접촉하지 않도록 배열되는, 광학 장치.
상기 광학 소자(101, 201, 352, 370)는 적어도 하나의 홀더 소자(110, 210, 210'. 353, 371)에 의해 유지되며, 상기 열 방출 소자(120, 220', 130, 220, 351, 360, 380)는 오직 상기 홀더 소자(110, 210, 353, 371)와 직접 접촉하도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
청구항 2에 있어서, 상기 홀더 소자(110, 210, 210'. 353, 371)는 제1 영역 및 제2 영역을 가지며, 상기 제2 영역은 상기 광학 시스템의 광축(OA)에 대하여 상기 제1 영역의 외부로의 방사 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
청구항 1 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 방출 소자(120, 130, 220, 220', 351, 360, 380)는 광 통과 개구를 가지며, 그 면적은 상기 광학 시스템의 동작시 광학 소자(101, 201, 352, 370)를 통과하는 광 빔의 단면적의 200% 이하, 구체적으로는 120% 이하, 보다 구체적으로는 105% 이하인 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 소자(101, 201, 352, 370) 및/또는 홀더 소자(110, 210, 353, 371)로부터 열 방출 소자(120, 130, 220, 220', 351, 360, 380)까지의 열 전도는 상기 광학 소자 및/또는 상기 홀더 소자의 표면에 적어도 거의 수직으로 연장하는 방향으로 적어도 영역별로 영향을 받는 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 방출 소자(120, 130, 220, 220', 351, 360, 380)는 상기 광학 시스템의 광학적으로 사용된 영역의 외부에 배열되는 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 방출 소자(120, 130, 220, 220', 351, 360, 380)는 광원의 광이 방해받지 않고 상기 광학 시스템을 통과하는 것을 가능하게 하는 형상인 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 두개의 열 방출 소자(120, 130, 351, 360, 380)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
청구항 8에 있어서, 상기 열 방출 소자(120, 130)는 홀더 소자(110)의 상호 대향측에 배치되는 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 방출 소자(120, 130, 220, 220', 351, 360, 380)는 상기 광학 시스템의 광원의 광에 의해 생성되는 열 에너지의 적어도 일부를 흡수하는 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 방출 소자(120, 130, 220, 220', 351, 360, 380)는 열 전도성이 적어도 50W/Km인 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 방출 소자(120, 130, 220, 220', 351, 360, 380)는 상기 광학 소자(101, 201, 352, 370) 및/또는 상기 홀더 소자(110, 210, 353, 371)에 대해 영역별로 일정 간격 떨어져 배열되는데, 이 간격은 2mm 이하이며, 구체적으로는 0.5mm 이하이며, 보다 구체적으로는 0.1mm 이하인 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
청구항 12에 있어서, 상기 간격은 실질적으로 일정한 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 방출 소자(120, 130, 220, 220', 351, 360, 380)는 상기 광학 소자(101, 201, 352, 370) 및/또는 상기 홀더 소자(110, 210, 353, 371)에 대응하는 형상인 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 소자 및/또는 상기 홀더 소자(210')는 상기 열 방출 소자(220')와 적어도 영역별로 요철형태(indented)인 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 방출 소자(120, 130, 220, 220', 351, 360, 380)는 적어도 영역별로 플레이트 또는 시트 형태인 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
청구항 2 내지 16 중 어느 한 항에 있어서, 상기 홀더 소자(110, 210, 353, 371)는 적어도 영역별로 고반사층(HR 층)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 방출 소자(120, 130, 220, 220', 351, 360, 380)는 적어도 영역별로 흡수층(AR 층)을 구비하는 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 시스템의 동작시, 상기 광학 시스템을 통과하는 광원의 광을 가지며, 상기 광원은 적어도 300 와트, 구체적으로는 적어도 800 와트, 보다 구체적으로는 1200 와트의 에너지의 레이저(410)인 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 홀더 소자(110)는 적어도 하나의 열 장벽(heat barrier)을 갖는 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
청구항 20에 있어서, 상기 열 장벽은 적어도 하나의 슬롯(111, 112, 113, 114)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
청구항 20에 있어서, 상기 열 장벽은 비교적 낮은 열 전도 계수를 갖는 재료로 제조되는 홀더 소자(110)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 홀더 소자(110)는 적어도 하나의 고체 조인트 또는 메니퓰레이터를 갖는 것을 특징으로 하는, 광학 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 소자(101, 201, 352, 370)에서 생성된 열 에너지의 방출은 외부 냉각 장치(150, 250, 305)에 영향을 받는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
전술한 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 시스템은 빔 단면에 걸쳐 레이저 광을 균질화하기 위한 조명 시스템(300, 420)인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
청구항 1 내지 24 중 어느 한 항에 따른 광학 장치를 갖는, 레이저 재료 처리 장치.