-
Die Erfindung betrifft ein reflektives optisches Element, mit einem Körper, der ein lichteinfallseitiges Vorderteil, der eine reflektierende optisch wirksame Fläche aufweist, und ein Rückteil aufweist, und der zwischen dem Vorderteil und dem Rückteil einen Hohlraum aufweist, wobei sich der Hohlraum im Wesentlichen entlang der gesamten optisch wirksamen Fläche erstreckt und wobei der Hohlraum zur Aufnahme eines Kühlmediums dient, wobei der Körper weiterhin zumindest einen Einlass und zumindest einen Auslass für das Kühlmedium aufweist, wobei in dem Hohlraum verteilt eine Mehrzahl an strömungsbeeinflussenden Elementen angeordnet sind, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
-
Das optische Element gemäß der vorliegenden Erfindung kann insbesondere eine Spiegelschale eines Kollektors zur Verwendung in der EUV-Lithographie sein. In dieser Art von Lithographie wird Licht im extremen ultravioletten (EUV) Spektralbereich verwendet, bspw. Licht einer Wellenlänge von 13 nm, um ein Retikel auf einen Wafer abzubilden. Nichtsdestoweniger betrifft die vorliegende Erfindung allgemein optische Elemente für beliebige Anwendungen, insbesondere reflektive Elemente wie Spiegel oder Beugungsgitter, beispielsweise Synchrotronspiegel oder -gitter.
-
Im Betrieb eines optischen Systems, in dem ein solches optisches Element verwendet wird, kann sich das optische Element stark aufheizen. Licht, das auf die optisch wirksame Fläche einfällt, wird von der optisch wirksamen Fläche teilweise absorbiert.
-
Die Absorption erzeugt Wärme, die sich in den Körper des optischen Elements ausbreitet.
-
Durch das Aufheizen des optischen Elements im Betrieb ergeben sich verschiedene Probleme. Ein erstes Problem kann darin bestehen, dass das optische Element zu heiß wird, wodurch das Substratmaterial der optisch wirksamen Fläche und die darauf vorgesehenen optischen Schichten zerstört werden können.
-
Ein weiteres Problem des Aufheizens des optischen Elements liegt darin, dass das optische Element deformiert wird, so dass das optische Leistungsvermögen des Systems, in dem das optische Element verwendet wird, nicht mehr der Spezifikation entspricht.
-
Außerdem kann sich die Deformation des optischen Elements während des Betriebs verändern (sogenannte transiente Effekte). Eine einmalige (statische) Korrektur des sich ergebenden Abbildungsfehlers im optischen System, beispielsweise mit Hilfe anderer optische Elemente, ist somit in der Regel nicht ausreichend.
-
Insbesondere bei Anwendungen in EUV-Systemen ist das optische Element thermisch hoch beansprucht. Dies gilt für einen EUV-Kollektor, der die Lichtstrahlung der Lichtquelle einfängt und viel Infrarotlicht absorbiert, aber auch für Synchrotronspiegel oder -gitter.
-
Um die vorstehend genannten Probleme zu lösen, die durch das Aufheizen des optischen Elements entstehen, wurden Kühlkonzepte entwickelt, um die im Betrieb im optischen Element entstehende Wärme abzuführen.
-
Die bekannten Kühlkonzepte bestehen überwiegend darin, im ansonsten massiven Körper des optischen Elements einzelne Kühlkanäle oder Kühlleitungen zu integrieren, durch die ein Kühlmedium hindurchgeleitet wird. Optische Elemente mit dieser Art der Kühlung sind in
US 6,822,251 B1 ;
US 2007/0084461 A1 ;
US 2005/0099611 A1 ;
US 2005/012846 A1 ;
US 2006/0227826 A1 und
US 7,329,014 B2 offenbart.
-
Die Kühlung des optischen Elements über Kühlkanäle bzw. Kühlleitungen hat den Vorteil, dass die Kühlkanäle bzw. Kühlleitungen eine gezielte Strömungsrichtung vorgeben, wodurch das Kühlsystem somit leichter berechenbar ist. Der Nachteil dieser Art von Kühlung besteht jedoch darin, dass sich die Struktur der Kanäle bzw. Leitungen auf der optisch wirksamen Fläche des optischen Elements durchprägt, wenn sich das optische Element erwärmt und die Bereiche der optisch wirksamen Fläche zwischen den Kühlkanälen bzw. -leitungen heißer werden als die Bereiche, die dem jeweiligen Kühlkanal bzw. der jeweiligen Kühlleitung unmittelbar benachbart sind.
-
Die vorstehend genannten Nachteile können vermieden werden, wenn das optische Element anstatt einzelner Kühlkanäle bzw. Kühlleitungen in seinem Körper einen großflächigen Hohlraum aufweist, der sich im Wesentlichen entlang der gesamten optisch wirksamen Fläche erstreckt. Eine solche Art der Kühlung ist in dem Dokument
WO 2007/051638 A1 in den dortigen
16 bis
19 beschrieben. Das Vorsehen eines großflächigen Hohlraums im geringen Abstand zur optisch wirksamen Fläche des optischen Elements hat den Vorteil, dass das Kühlmedium im Wesentlichen die gesamte optisch wirksame Fläche erreicht. Dennoch hat sich als nachteilig herausgestellt, dass das Kühlmedium den Hohlraum zwischen dem zumindest einen Einlass und dem zumindest einen Auslass für das Kühlmedium nicht gleichmäßig durchströmt, d.h. im Hohlraum gibt es Bereiche guter Durchströmung und damit guter Wärmeabfuhr und Bereiche schlechter Durchströmung und damit schlechter Wärmeabfuhr. Die Folge ist, dass aufgrund unterschiedlicher Strömungsverhältnisse im Hohlraum Thermalgradienten in der optisch wirksamen Fläche entstehen, die zu einer unerwünschten Deformation des optischen Elements führen können. Ein weiterer Nachteil dieses bekannten optischen Elements besteht darin, dass bereits der Druck des Kühlmediums in dem großflächigen Hohlraum zur Deformation des optischen Elements führen kann.
-
Das Dokument
US 7 591 561 B2 offenbart einen gekühlten Spiegel, bei dem das Kühlsystem Mikrokanäle aufweist, durch die ein Kühlmedium laminar strömen kann. Alternativ zur Ausgestaltung des Kühlsystems mit Mikrokanälen können Schaufeln oder Stifte in dem Kühlhohlraum des Spiegels angeordnet sein, die die Strömung des Kühlmediums laminar belassen, jedoch eine vergrößerte Oberfläche für die Wärmeabfuhr bereitstellen.
-
Das Dokument
US 4,844,603 A offenbart einen mittels Aktuatorik verformbaren Spiegel, mit einer eine reflektierende Beschichtung tragenden vorderen Platte und einer rückwärtigen Platte, die im Abstand zur vorderen Platte angeordnet ist, so dass zwischen beiden ein Hohlraum vorhanden ist. Ein Kühlmedium kann über Einlässe in den Hohlraum eingeleitet und über Auslässe aus dem Hohlraum wieder abgeführt werden.
-
Das Dokument
US 5,209,291 A offenbart ein optisches System mit einem Vorderteil, einem Kühlkörper und einem Rückteil. Der Kühlkörper ist mit zwei Kühlmitteleinlässen sowie zwei Kühlmittelauslässen versehen. Außerdem weist das optische System zwischen dem Vorderteil und dem Rückteil eine Vielzahl zylindrischer Stifte auf, in deren Zwischenräume ein Kühlmedium fließen kann.
-
Das Dokument
DE 100 52 249 A1 offenbart einen Spiegel mit einem Spiegelelement, das aus zwei Membranen gebildet ist. Eine der Membranen weist eine Mehrzahl von Stegelementen auf, die eine Mehrzahl von Kühlkanälen definieren, wobei ein Zulauf und ein Ablauf in die Kühlkanäle einmünden.
-
Das Dokument
US 4,657,358 A offenbart einen Spiel mit einem Körper, der eine obere Platte und eine untere Platte aufweist. Zwischen der oberen Platte und der unteren Platte sind eine Mehrzahl von Pfosten angeordnet, die dazu dienen, die Strömung eines Kühlmittels im Hohlraum zwischen der oberen und der unteren Platte zu unterstützen.
-
Das Dokument
US 4,770,521 A offenbart einen gekühlten Laserspiegel mit einer Spiegelfläche, die von einer rückwärtigen Platte beabstandet angeordnet ist und mit dieser einen Hohlraum zur Durchleitung eines Kühlmediums bildet.
-
Das Dokument
US 3,923,383 A offenbart einen gekühlten Laserspiegel mit einem Vorderteil, das eine reflektierende Oberfläche aufweist, und einem Rückteil. Zwischen dem Vorderteil und dem Rückteil ist ein Hohlraum gebildet, in dem über Einlässe und aus dem über Auslässe Kühlmedium geleitet werden kann. Im Hohlraum sind eine Mehrzahl von Strömungsteilern angeordnet, die die Strömung des Kühlmediums beeinflussen.
-
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das optische Element der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass eine gleichmäßige Kühlung des optischen Elements erreicht wird.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich des eingangs genannten optischen Elements durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
-
Die vorliegende Erfindung geht von dem Konzept aus, den Körper des optischen Elements mit einem großflächigen Hohlraum zu versehen, der mit einem Kühlmedium zur Durchleitung durch den Hohlraum zwischen dem zumindest einen Einlass und dem zumindest einen Auslass gefüllt ist. Erfindungsgemäß sind in dem Hohlraum mehrere, vorzugsweise viele strömungsbeeinflussende Elemente angeordnet, die sich von dem Vorderteil zu dem Rückteil des Körpers erstrecken. Die strömungsbeeinflussenden Elemente bewirken jeweils an ihrem Ort eine lokale Ablenkung der Strömung des Kühlmediums, wodurch der Hohlraum wesentlich gleichmäßiger vom Kühlmedium durchströmt wird. Hierdurch werden Bereiche schlechter Durchströmung, d.h. Totzonen im Hohlraum, in denen das Kühlmedium steht oder nur geringfügig strömt, zumindest verringert. Dadurch, dass sich die strömungsbeeinflussenden Elemente von dem Vorderteil zu dem Rückteil erstrecken und das Vorderteil mit dem Rückteil verbinden, wird der oben beschriebene Nachteil, dass sich das optische Element aufgrund des Druckes des Kühlmediums im Hohlraum verbiegt, ebenfalls verringert oder sogar beseitigt.
-
Die erfindungsgemäß vorgesehenen strömungsbeeinflussenden Elemente sind vorzugsweise als Pfosten oder Stifte oder leitblechartige Elemente mit geringem, beliebig geformten Querschnitt ausgebildet. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die strömungsbeeinflussenden Elemente wärmeleitend sind. Die strömungsbeeinflussenden Elemente können in das Vorderteil und/oder das Rückteil integriert sein. Die strömungsbeeinflussenden Elemente sind insbesondere mit dem Vorderteil und mit dem Rückteil einstückig ausgebildet.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Verteilung, Größe und/ oder Form der strömungsbeeinflussenden Elemente in dem Hohlraum in Abhängigkeit von der Position des zumindest einen Einlasses und der Position des zumindest einen Auslasses so gewählt, dass das Kühlmedium den gesamten Hohlraum im Wesentlichen gleichmäßig durchströmt.
-
Die Verteilung der strömungsbeeinflussenden Elemente wird so gewählt, dass das Kühlmedium bei der Durchströmung des Hohlraums ständig auf ein strömungsbeeinflussendes Element trifft, wodurch lokale Strömungsrichtungsänderungen des Kühlmediums bewirkt und der Hohlraum somit gleichmäßig durchströmt wird, so dass das Kühlmedium die Wärme an der Wand des Hohlraums und an den strömungsbeeinflussenden Elementen gut aufnehmen und abführen kann. Es findet somit auch eine ständige Durchmischung des Kühlmediums statt, so dass sich im Kühlmedium so gut wie keine unterschiedlichen Temperaturbereiche über den Hohlraum gesehen einstellen. Auch durch eine geeignete Wahl der Größe und/oder Form der strömungsbeeinflussenden Elemente lässt sich die Strömung des Kühlmediums im Sinne einer guten Wärmeabfuhr beeinflussen.
-
Der zumindest eine Einlass ist an einem der Mitte des Körpers zugewandten Rand des Hohlraums und der zumindest eine Auslass an einem von der Mitte des Körpers abgewandten äußeren Rand des Hohlraums angeordnet oder umgekehrt.
-
In dieser Ausgestaltung ist die Grundströmung des Kühlmediums im Hohlraum im Wesentlichen vom Zentrum des Hohlraums zur Peripherie des Hohlraums bzw. umgekehrt gerichtet. Hierbei kann vorzugsweise noch vorgesehen sein, dass die strömungsbeeinflussenden Elemente so verteilt sind, dass sich im Zentrum des Hohlraums und an der Peripherie des Hohlraums eine azimutale Strömung des Kühlmediums einstellt, d.h. eine Strömung des Kühlmediums in Umfangsrichtung um eine Achse senkrecht zur optisch wirksamen Fläche des optischen Elements.
-
Im Zusammenhang mit der vorstehend genannten Maßnahme, wonach der zumindest eine Einlass etwa in einer Mitte des Hohlraums und der zumindest eine Auslass an einem äußeren Rand des Hohlraums angeordnet sind oder umgekehrt, weist die Verteilung der strömungsbeeinflussenden Elemente in einem Bereich des Hohlraums, der dem kürzesten Weg von dem zumindest einen Einlass zu dem zumindest einen Auslass entspricht, eine höhere Dichte aufweist als im übrigen Bereich des Hohlraums.
-
Durch diese Maßnahme wird bewirkt, dass das Kühlmedium daran gehindert wird, von dem zumindest einen Einlass auf kürzestem Weg zu dem zumindest einen Auslass zu strömen, weil die höhere Dichte der Verteilung in diesem Bereich des kürzesten Weges eine stärkere Ablenkung des Kühlmediums in die übrigen Bereiche des Hohlraums bewirkt. Auch diese Maßnahme trägt vorteilhafterweise zu einer besonders gleichmäßigen Durchströmung des Kühlmediums durch den Hohlraum bei.
-
Es versteht sich, dass eine Mehrzahl von Einlässen und Auslässen in und aus dem Hohlraum vorhanden sein können, und die Verteilung der strömungsbeeinflussenden Elemente vorzugsweise an die mehreren Einlässe und Auslässe angepasst ist.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Hohlraum in einer Flächenmitte der optisch wirksamen Fläche einen Bereich auf, der nicht von dem Kühlmedium durchströmt wird.
-
Diese Ausgestaltung ist insbesondere von Vorteil, wenn der zumindest eine Einlass und/oder der zumindest eine Auslass im Zentrum des Hohlraums angeordnet ist, weil hierdurch eine Totzone in der Strömung des Kühlmediums im Zentrum des Hohlraums vermieden und im Zentrum des Hohlraums eine azimutale Strömung des Kühlmediums begünstigt wird.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Hohlraum in eine Mehrzahl von Segmenten unterteilt, die durch Stege vollständig voneinander getrennt sind, die sich vom Rückteil zum Vorderteil erstrecken, wobei jedes Segment zumindest einen Einlass und zumindest einen Auslass für das Kühlmedium aufweist.
-
Beispielsweise kann der Hohlraum in vier Segmente unterteilt sein. Bei dieser Ausgestaltung werden zwar entsprechend der Anzahl von Segmenten mehrere Einlässe und mehrere Auslässe, bei vier Segmenten beispielsweise vier Einlässe und vier Auslässe benötigt, jedoch hat diese Maßnahme den Vorteil, dass sich die vom Kühlmedium durchströmten Bereiche des Hohlraums nicht gegenseitig durchdringen und zu Störungen in der Strömung des Kühlmediums oder zu Störungen des Thermalverhaltens führen.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung mündet der zumindest eine Einlass in einen Einlass-Verteilerkanal, und/oder mündet der zumindest eine Auslass in einen Auslass-Verteilerkanal, wobei der Einlass-Verteilerkanal und/oder der Auslass-Verteilerkanal in den Hohlraum mündet/münden, wobei der Einlass-Verteilerkanal und/oder der Auslass-Verteilerkanal sich bezüglich einer senkrecht zur optisch wirksamen Fläche verlaufenden Längsachse azimutal erstreckt/erstrecken.
-
Hierbei ist von Vorteil, dass der Einlass-Verteilerkanal und/oder der Auslass-Verteilerkanal eine definierte, azimutal gleichmäßige Durchströmung des Hohlraums bewirken.
-
Im Zusammenhang mit der vorstehend genannten Maßnahme ist es weiterhin bevorzugt, wenn der Einlass-Verteilerkanal und/oder der Auslass-Verteilerkanal auf einer vom Hohlraum abgewandten Seite des Rückteils angeordnet sind.
-
Hierbei ist von Vorteil, dass sich der Hohlraum nahezu entlang der gesamten optisch wirksamen Fläche erstrecken kann. Dies wäre nicht der Fall, wenn der Einlass-Verteilerkanal und/oder der Auslass-Verteilerkanal direkt neben dem Hohlraum und direkt unterhalb des Vorderteils angeordnet wäre. Außerdem wäre im letzteren Fall die Kühlung in diesen Randbereichen der optisch wirksamen Fläche nicht sehr effektiv, weil die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums in diesen Bereichen aufgrund des großen Querschnitts eher gering und somit die Kühlwirkung ebenfalls gering wäre.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorstehend genannten Maßnahmen mündet/münden der Einlass-Verteilerkanal und/oder der Auslass-Verteilerkanal über einen sich über die Länge des Einlass-Verteilerkanals und/oder Auslass-Verteilerkanals in azimutaler Richtung um die Längsachse erstreckenden schmalen Spalt oder über eine Mehrzahl von kleinen Öffnungen in den Hohlraum.
-
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass der bzw. die Spalte oder die Mehrzahl von kleinen Öffnungen für eine azimutal gleichmäßige Durchströmung des Hohlraums sorgen, indem nämlich das Kühlmedium im Einlass-Verteilerkanal bzw. Auslass-Verteilerkanal aufgestaut wird.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ändert sich der Querschnitt des Einlass-Verteilerkanals und/oder der Querschnitt des Auslass-Verteilerkanals ausgehend von dem Einlass bzw. Auslass, wobei sich der Querschnitt insbesondere verjüngt.
-
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass die gleichmäßige Verteilung des Kühlmediums im Einlass-Verteilerkanal bzw. die gleichmäßige Sammlung des Kühlmediums im Auslass-Verteilerkanal noch weiter verbessert ist.
-
Der vorstehend genannte Einlass-Verteilerkanal bzw. der Auslass-Verteilerkanal können aus demselben Material wie das Vorderteil und das Rückteil des Körpers des optischen Elements bestehen.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen die strömungsbeeinflussenden Elemente im Querschnitt eine Form auf, die eine Verwirbelung der Strömung des Kühlmediums erzeugen.
-
Die Erzeugung von Wirbeln in der Strömung des Kühlmediums durch die strömungsbeeinflussenden Elemente hat den Vorteil, dass solche Wirbel für eine gute Wärmeabfuhr vorteilhaft sind. Die Grundströmung des Kühlmediums im Hohlraum kann dabei laminar sein, bringt aber auch bei turbulenter Grundströmung eine bessere Wärmeabfuhr.
-
In einer Ausführungsform dieser Ausgestaltung sind die strömungsbeeinflussenden Elemente im Querschnitt rund und/oder weisen im Querschnitt eine längliche Form auf, wobei im letzteren Fall die strömungsbeeinflussenden Elemente eine Längserstreckung nicht-parallel, insbesondere quer oder schräg zur Strömungsrichtung des Kühlmediums aufweisen.
-
Im Querschnitt runde strömungsbeeinflussende Elemente können Wirbel in der Strömung des Kühlmediums sowohl auf der stromaufwärtigen Seite als auch auf der stromabwärtigen Seite des jeweiligen strömungsbeeinflussenden Elements erzeugen. Der Vorteil einer runden Form besteht u.a. in einer leichten Herstellbarkeit der strömungsbeeinflussenden Elemente als geometrisch einfache Teile. Bei einer Ausgestaltung der strömungsbeeinflussenden Elemente mit im Querschnitt länglicher Form, ähnlich von Leitblechen, besteht der Vorteil, dass durch eine entsprechende Ausrichtung dieser im Querschnitt länglichen strömungsbeeinflussenden Elemente zur Strömungsrichtung des Kühlmediums die Verwirbelung und Wärmeabfuhr im Verhältnis zur Führung des Kühlmediums durch den Hohlraum in geeigneter Weise eingestellt werden kann. Je paralleler die länglichen strömungsbeeinflussenden Elemente zur Strömungsrichtung des Kühlmediums orientiert sind, umso weniger tritt eine Verwirbelung bei gleichzeitig verbesserter Führung des Kühlmediums durch den Hohlraum auf. Bei einer Orientierung der länglichen strömungsbeeinflussenden Elemente schräg oder quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums wird die Verwirbelung und die Wärmeabfuhr verstärkt, während die Führung des Kühlmediums durch den Hohlraum verringert ist.
-
Da die übermäßige Wirbelbildung aufgrund einer beispielsweise runden Querschnittsform der strömungsbeeinflussenden Elemente zum einen zu einem erhöhten Druckverlust in der Strömung des Kühlmediums sowie zur Anregung von Vibrationen im optischen Element führen kann, ist in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass die strömungsbeeinflussenden Elemente im Querschnitt eine Form aufweisen, die eine Verwirbelung der Strömung des Kühlmediums nur auf der der lokalen Strömungsrichtung abgewandten Seite des jeweiligen strömungsbeeinflussenden Elements erzeugen.
-
Diese Ausgestaltung stellt einen vorteilhaften Kompromiss aus geringerem Druckverlust in der Strömung des Kühlmediums sowie einer reduzierten Vibrationsanregung einerseits und einer guten Wärmeabfuhr andererseits dar.
-
In einer Ausführungsform dieser Ausgestaltung sind die strömungsbeeinflussenden Elemente im Querschnitt tropfenförmig ausgebildet.
-
Die strömungsbeeinflussenden Elemente können jedoch auch im Querschnitt eine Form aufweisen, die stromlinienförmig ist.
-
Eine im Querschnitt stromlinienförmige Form der strömungsbeeinflussenden Elemente bewirkt, dass sich in der Strömung des Kühlmediums keine oder im Wesentlichen keine Wirbel bilden, und entsprechend Druckverluste und Vibrationsanregungen durch die Strömung des Kühlmediums vermieden werden.
-
Es versteht sich, dass in dem Hohlraum nicht nur eine Art von strömungsbeeinflussenden Elementen, d.h. strömungsbeeinflussende Elemente gleicher Form angeordnet sein können, sondern es können auch strömungsbeeinflussende Elemente mit verschiedenen Querschnittsformen, beispielsweise der vorstehend beschriebenen Arten, in dem Hohlraum vorhanden sein.
-
Auch die Querschnittsgröße der strömungsbeeinflussenden Elemente kann über den Hohlraum gesehen unterschiedlich sein.
-
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass die strömungsbeeinflussenden Elemente von einer Mitte zum äußeren Rand des Hohlraums eine veränderliche, insbesondere zunehmende Querschnittsgröße aufweisen.
-
In weiteren bevorzugten Ausgestaltungen des optischen Elements ist die optisch wirksame Fläche eine Spiegelfläche oder eine Beugungsgitterfläche.
-
Im Fall, dass die optisch wirksame Fläche eine Spiegelfläche ist, ist das optische Element vorzugsweise insbesondere eine Spiegelschale eines Kollektors für EUV-Anwendungen.
-
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen:
- 1a) und b) ein optisches Element gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei 1a) das optische Element teilweise in einem Längsschnitt in einer Ebene parallel zu einer Achse A und 1b) das optische Element in Draufsicht zeigt, wobei in 1b) ein Vorderteil des optischen Elements teilweise aufgebrochen ist;
- 2a) und b) ein optisches Element gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei 2a) das optische Element in einem Längsschnitt in einer Ebene parallel zu einer Achse A und 2b) das optische Element in Draufsicht unter Weglassung eines Vorderteils des optischen Elements zeigt;
- 3 ein optisches Element gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht unter Weglassung eines Vorderteils des optischen Elements;
- 4 ein optisches Element gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht unter Weglassung eines Vorderteils des optischen Elements;
- 5 ein optisches Element gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in Draufsicht, wobei ein Vorderteil des optischen Elements teilweise aufgebrochen ist;
- 6 einen Ausschnitt eines optischen Elements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt in einer Ebene parallel zu einer Achse A;
- 7 eine weitere Einzelheit des Ausführungsbeispiels in 6;
- 8a) und b) weitere Einzelheiten der optischen Elemente in 1 bis 7, wobei 8a) einen Ausschnitt aus einer Anordnung strömungsbeeinflussender Elemente und 8b) ein einzelnes strömungsbeeinflussendes Element aus 8a) zeigt;
- 9a) bis c) weitere Einzelheiten der optischen Elemente in 1 bis 7 in zu 8a) und b) abgewandelten Ausführungsbeispielen, wobei 9a) einen Ausschnitt aus einer Anordnung strömungsbeeinflussender Elemente zeigt, und 9b) und c) jeweils ein einzelnes strömungsbeeinflussendes Element in zwei Ausführungsvarianten zeigen;
- 10 weitere Einzelheiten der optischen Elemente in 1 bis 7 in zu 8 und 9 abgewandelten Ausführungsbeispielen, wobei 10a) eine erste Variante, 10b) eine zweite Variante und 10c) eine dritte Variante eines Ausschnitts einer Anordnung strömungsbeeinflussender Elemente zeigen;
- 11 eine Ausschnittsdarstellung eines optischen Elements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
- 12 eine weitere Anordnung strömungsbeeinflussender Elemente in einem Hohlraum eines optischen Elements gemäß einem noch weiteren Ausführungsbeispiel.
-
Nachfolgend werden mit Bezug auf die Figuren optische Elemente und Einzelheiten dieser optischen Elemente beschrieben, die in Form von Spiegeln ausgebildet sind, und die insbesondere in optischen Systemen für EUV-Anwendungen eingesetzt werden können. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die optischen Elemente jedoch auch als Beugungsgitter ausgebildet sein. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich insbesondere auf das erfindungsgemäße Kühlkonzept für solche optischen Elemente, ohne dass die optischen Elemente auf eine Ausgestaltung als Spiegel oder Beugungsgitter beschränkt sind. Weitere Beispiele für Spiegel oder Beugungsgitter sind Synchrotronspiegel oder -gitter.
-
1a) und b) zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines optischen Elements 10. Das optische Element 10 weist einen Körper 12 auf, der ein lichteinfallseitiges Vorderteil 14 und ein Rückteil 16 aufweist. Das Vorderteil 14 weist eine optisch wirksame Fläche 18 auf. Das Vorderteil 14 kann ein Substrat sein, auf dessen Lichteinfallseite eine Beschichtung aufgebracht ist, beispielsweise eine hoch reflektierende Beschichtung, wie sie bei Spiegeln üblicherweise verwendet wird.
-
Im Gebrauch des optischen Elements in einem nicht dargestellten optischen System ist die optisch wirksame Fläche 18 die Fläche, auf die im Betrieb des optischen Systems Licht einfällt. Dieses Licht wird in der optisch wirksamen Fläche bzw. in dem Vorderteil 14 (Substrat) teilweise absorbiert, wodurch sich die optisch wirksame Fläche 18 bzw. das Vorderteil 14 stark erwärmen können. Um Beschädigungen, Deformationen und/oder Beeinträchtigungen des optischen Leistungsvermögens des optischen Elements 10 zu vermeiden oder zumindest zu verringern, muss das optische Element 10 daher im Betrieb gekühlt werden.
-
Dazu weist das optische Element 10 zwischen dem Vorderteil 14 und dem Rückteil 16 einen Hohlraum 20 auf, der sich im Wesentlichen entlang der gesamten optisch wirksamen Fläche 18 erstreckt. Mit anderen Worten erstreckt sich der Hohlraum 20 im Wesentlichen über die gesamte Rückseite des Vorderteils 14, vorzugsweise in geringem Abstand zur optisch wirksamen Fläche 18. Der Hohlraum 20 dient dazu, ein Kühlmedium, beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas aufzunehmen, das die durch die Lichtabsorption erzeugte Wärme von dem optischen Element 10 abführen kann. Für die Zufuhr und die Abfuhr des Kühlmediums sind zumindest ein Einlass und zumindest ein Auslass vorgesehen, wobei verschiedene Anordnungen solcher Ein- und Auslässe erst mit Bezug auf die nachfolgenden Figuren beschrieben werden. Bei dem optischen Element in 1a) und b) sind die Ein- und Auslässe nicht dargestellt.
-
In dem Hohlraum 20 verteilt sind eine Mehrzahl an strömungsbeeinflussenden Elementen 22 angeordnet. Die strömungsbeeinflussenden Elemente 22 erstrecken sich von dem Vorderteil 14 zu dem Rückteil 16 und verbinden das Vorderteil 14 mit dem Rückteil 16.
-
Die strömungsbeeinflussenden Elemente 22 erfüllen dabei zwei Funktionen. Zum einen zwingen sie das im Hohlraum 20 strömende Kühlmedium dazu, den Hohlraum 20 gleichmäßig zu durchströmen, indem das Kühlmedium ständig auf ein strömungsbeeinflussendes Element 22 trifft und die Strömung dadurch an vielen lokalen Stellen und in viele Richtungen umgelenkt wird. Dadurch wird vermieden, dass sich in dem Hohlraum 20 Bereiche schwächerer Strömung und Bereiche stärkerer Strömung ausbilden, die zu Thermalgradienten in dem Kühlmedium und damit zu Thermalgradienten in dem optischen Element 10, insbesondere in der optisch wirksamen Fläche 18, Anlass geben können. Zum anderen vermeiden bzw. verringern die strömungsbeeinflussenden Elemente 22 aufgrund dessen, dass sie das Vorderteil 14 mit dem Rückteil 16 verbinden, Verbiegungen des optischen Elements 10 und damit insbesondere der optisch wirksamen Fläche 18 aufgrund des Druckes des Kühlmediums im Hohlraum 20. Die strömungsbeeinflussenden Elemente 22 tragen damit zur Erhöhung der Formstabilität des optischen Elements 10 gegen mechanische Einflüsse wie beispielsweise den Druck des Kühlmediums bei.
-
Die strömungsbeeinflussenden Elemente 22 sind in Form von im Querschnitt (Zeichenebene in 1b)) kleinen Pfosten oder Stiften ausgebildet. Die Pfosten können hohl oder massiv sein. Bevorzugt weisen die strömungsbeeinflussenden Elemente 22 selbst eine gute Wärmeleitfähigkeit auf.
-
In 1b) sind die vielen einzelnen strömungsbeeinflussenden Elemente 22 vereinfacht in Form kleiner Kreise dargestellt, wobei die Querschnittsformen der strömungsbeeinflussenden Elemente 22 später noch beschrieben werden.
-
In 1b) ist die Strömung des Kühlmediums durch eine Mehrzahl an Strömungspfeilen 24 visualisiert, um zu veranschaulichen, dass sich die Strömung des Kühlmediums im Wesentlichen gleichmäßig über den Hohlraum 20 verteilt.
-
Die Verteilung der strömungsbeeinflussenden Elemente 22 in dem Hohlraum 20 ist in Abhängigkeit von der Position des zumindest einen Einlasses und der Position des zumindest einen Auslasses so gewählt, dass das Kühlmedium den gesamten Hohlraum 20 im Wesentlichen gleichmäßig durchströmt. Mit Bezug auf die weiteren Figuren werden später verschiedene Verteilungen und Anordnungen des zumindest einen Einlasses und des zumindest einen Auslasses noch beschrieben. Bei dem Ausführungsbeispiel in 1a) und b) ist in 1b) mit Pfeilen 26 im Bereich der Mitte des Hohlraums 20 und 28 an einem äußeren Rand 30 des Hohlraums 20 veranschaulicht, dass sich im Bereich der Mitte des Hohlraums 20 und im Bereich des äußeren Randes 30 des Hohlraums die Strömung des Kühlmediums azimutal (bezüglich der Achse A) ausbreiten kann. Wenn im Bereich der Mitte der zumindest eine Einlass für das Kühlmedium und im Bereich des äußeren Randes 30 der zumindest eine Auslass für das Kühlmedium angeordnet ist, wirkt der Bereich der Mitte des Hohlraums 20 quasi als Verteiler für das Kühlmedium und der Bereich des äußeren Randes 30 des Hohlraums 20 als Sammler für das Kühlmedium. Zwischen dem Bereich der Mitte des Hohlraums 20 und dem Bereich des äußeren Randes 30 des Hohlraums 20 wird die Strömung im Wesentlichen von der Mitte nach außen hin, im Spezialfall eines bezüglich der Achse A kreisförmigen optischen Elements 10 im Wesentlichen radial nach außen geführt.
-
Im Prinzip ist es möglich, bei dem Ausführungsbeispiel in 1a) und b) nur eine Einlassöffnung und nur eine Auslassöffnung vorzusehen, wobei jedoch eine größere Anzahl an Ein- und Auslässen ggf. vorteilhafter ist.
-
In einer Mitte 21 des Körpers 12 weist dieser keinen Hohlraum auf, der von dem Kühlmedium durchströmt werden kann bzw. der nicht mit Kühlmedium gefüllt werden kann.
-
Die Größe, Form und Dichte der strömungsbeeinflussenden Elemente 22 sollte derart ausgelegt sein, beispielsweise mittels numerischer Verfahren, dass die Reynolds-Zahlen im optischen Element 10, d.h. im Hohlraum 20, überall gleich sind oder dass die Strömung des Kühlmediums an unterschiedliche Leistungsverteilungen angepasst wird mit dem Ziel einer möglichst konstanten Temperatur an der optisch wirksamen Fläche 18, oder aber mit dem Ziel, die optisch wirksame Oberfläche 18 gezielt zu deformieren, wenn dies zweckmäßig ist.
-
In 5 ist ein optisches Element 10' dargestellt, das eine Abwandlung des optischen Elements 10 in 1 ist. Bei dem optischen Element 10' wurden Teile oder Elemente, die mit Teilen oder Elementen des optischen Elements 10 identisch oder ähnlich sind, mit den gleichen Bezugszeichen wie die Teile bzw. Elemente des optischen Elements 10, ergänzt um einen ', versehen.
-
Das optische Element 10' weist einen Körper 12' mit einem Vorderteil 14' und einem Rückteil 16' auf, wobei das Vorderteil 14' eine optisch wirksame Fläche 18' aufweist. Zwischen dem Vorderteil 14' und dem Rückteil 16' ist ein Hohlraum 20' für den Durchfluss eines Kühlmediums vorhanden, und ebenso sind wiederum strömungsbeeinflussende Elemente 22' in dem Hohlraum 20' angeordnet.
-
Während der Hohlraum 20 des optischen Elements 10 zwischen dem Vorderteil 14 und dem Rückteil 16 durchgehend ausgebildet ist, ist der Hohlraum 20' des optischen Elements 10' in eine Mehrzahl von Segmenten, hier vier Segmente 31, 32, 33 und 34 unterteilt. Dazu erstrecken sich zwischen dem Vorderteil 14' und dem Rückteil 16' eine entsprechende Anzahl an Stegen, hier vier Stege 35, 36, 37 und 38. Eine Durchmischung des Kühlmediums zwischen unterschiedlichen Segmenten 31, 32, 33 und 34 findet nicht statt, sondern das Kühlmedium durchströmt jedes der Segmente 31, 32, 33, 34 des Hohlraums 20' separat. Entsprechend weist jedes Segment 31, 32, 33 und 34 zumindest einen Einlass und einen Auslass für das Kühlmedium auf, die hier nicht im Einzelnen dargestellt sind. Die Stege bzw. Trennwände 35, 36, 37 und 38 erstrecken sich jeweils zwischen dem Vorderteil 14' und dem Rückteil 16'.
-
In 2a) und b) ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Elements 40 dargestellt. Das optische Element 40 weist einen Körper 42 mit einem Vorderteil 44 und einem Rückteil 46 und einer optisch wirksamen Fläche 48 sowie einem Hohlraum 50 zwischen dem Vorderteil 44 und dem Rückteil 46 auf, in dem eine Mehrzahl von strömungsbeeinflussenden Elementen 52 angeordnet ist, die das Vorderteil 44 mit dem Rückteil 46 verbinden und in dem Hohlraum verteilt angeordnet sind. Die strömungsbeeinflussenden Elemente 52 sind in 2b) vereinfacht als Kreise dargestellt.
-
Weiterhin weist der Körper 42 im Bereich einer Mitte des Hohlraums 50, genauer an einem der Mitte des Körpers 42 zugewandten Rand 53, drei gleichmäßig verteilte Einlässe 54 für das Kühlmedium und im Bereich eines äußeren Randes 55, der von der Mitte de Körpers 42 abgewandt ist, drei umfänglich verteilte Auslässe 56 für das Kühlmedium auf.
-
In 2b) ist schematisch veranschaulicht, dass eine Dichte der strömungsbeeinflussenden Elemente 52 in einem jeweiligen Bereich 58, 60 und 62, in denen der jeweils kürzeste Weg von den Einlässen 54 zu den Auslässen 56 liegt, größer ist als im übrigen Bereich des Hohlraums 50. Die strömungsbeeinflussenden Elemente 52 sind dazu in den Bereichen 58, 60 und 62 mit geringerem Abstand zueinander angeordnet als in den übrigen Bereichen des Hohlraums 50. Hierdurch wird das Kühlmedium dazu gezwungen, den gesamten Hohlraum 50 zu durchströmen und nicht den kürzesten Weg von den Einlässen 54 zu den Auslässen 56 zu nehmen.
-
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Elements 70 mit einem Körper 72 dargestellt, wobei ein Vorderteil des Körpers 72 in 3 weggelassen ist, so dass nur ein Rückteil 76 des Körpers 72 in 3 dargestellt ist. Zwischen dem nicht dargestellten Vorderteil und dem Rückteil 76 befindet sich wiederum ein Hohlraum 80, durch den ein Kühlmedium strömen kann. In dem Hohlraum verteilt ist eine Mehrzahl an strömungsbeeinflussenden Elementen 82 angeordnet, die in 3 vereinfacht als Kreise dargestellt sind.
-
Bei dem optischen Element 70 sind sowohl Einlässe 84 als auch Auslässe 86 an einem äußeren Rand 85, d.h. an der Peripherie des Körpers 72 des optischen Elements 70 angeordnet. Dabei sind die Einlässe 84 den Auslässen 86 in Bezug auf eine Mitte 87 des Körpers 72 einander entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend und im Fall eines wie hier runden Körpers 72 diametral gegenüberliegend angeordnet. Das Kühlmedium durchströmt den Hohlraum 80 ausgehend von den Einlässen 84 zu den Auslässen 86, und die Strömung des Kühlmediums wird durch die strömungsbeeinflussenden Elemente 82 im Hohlraum 80 im Wesentlichen gleichmäßig verteilt. Lediglich Bereiche 89 und 90 des Hohlraums 80 sind weniger stark von dem Kühlmedium durchströmt, wie durch Strömungspfeile 91 dargestellt ist. Die Bereiche 89 und 90 schwächerer Strömung können jedoch durch eine entsprechende Anpassung der Dichte der strömungsbeeinflussenden Elemente 82 in dem Hohlraum 80 verringert werden, um eine noch gleichmäßigere Verteilung der Strömung des Kühlmediums im gesamten Hohlraum 80 zu bewerkstelligen.
-
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Elements 100 in einer Darstellung vergleichbar mit der Darstellung in 3 gezeigt.
-
Das optische Element 100 weist einen Körper 102 auf, von dem in 4 nur ein Rückteil 106 gezeigt ist, während ein Vorderteil weggelassen ist, so dass in 4 ein Hohlraum 110 und darin verteilt eine Mehrzahl an strömungsbeeinflussenden Elementen 112 zu sehen sind.
-
Einlässe 114 und Auslässe 116 für ein Kühlmedium sind wie bei dem Ausführungsbeispiel in 3 an einem äußeren Rand 115 des Körpers 102 angeordnet. Im Unterschied zur Anordnung der Einlässe 84 und 86 in 3 sind jedoch den Einlässen 114 jeweils Auslässe zugeordnet, die an Positionen am äußeren Rand 115 des Hohlraums 110 angeordnet sind, die zur Position der Einlässe 114 nicht entgegengesetzt sind, sondern beispielsweise wie hier um 90° versetzt zu den Einlässen 114 angeordnet sind.
-
Strömungspfeile 117 zeigen die Strömung des Kühlmediums von den Einlässen 114 zu den Auslässen 116.
-
Es versteht sich, dass die Anzahl an Einlässen und Auslässen nicht auf die dargestellte Anzahl von vier Einlässen 84 und vier Auslässen 86 in 3 oder acht Einlässen 114 und acht Auslässen 116 in 4 beschränkt ist, sondern dass auch eine geringere oder höhere Anzahl von Ein- und Auslässen denkbar ist, und dass die Ein- oder Auslässe auch im Bereich der Mitte des Körpers des jeweiligen optischen Elements angeordnet sein können, wie dies beispielsweise in 2 dargestellt ist.
-
6 zeigt ausschnittsweise ein optisches Element 40', das eine Abwandlung des optischen Elements 40 in 2a) und b) darstellt. Solche Teile und Elemente des optischen Elements 40', die mit denen des optischen Elements 40 identisch oder vergleichbar sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, ergänzt um einen '.
-
Das optische Element 40' weist einen Körper 42', ein Vorderteil 44' mit einer optisch wirksamen Fläche 48', ein Rückteil 46' und einen Hohlraum 50' zwischen dem Vorderteil 44' und dem Rückteil 46' auf, der sich wiederum im Wesentlichen entlang der gesamten optisch wirksamen Fläche 48' erstreckt.
-
Der Unterschied zwischen dem optischen Element 40' und dem optischen Element 40 besteht darin, dass das optische Element 40' einen Einlass-Verteilerkanal 64 und einen Auslass-Verteilerkanal 65 aufweist. Während bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Einlass-Verteilerkanal 64 hier an einem der durch die Längsachse A definierten Mitte des Körpers 42' zugewandten Rand 66 des Hohlraums 50' und der Auslass-Verteilerkanal 65 an einem von der Mitte des Körpers 42' abgewandten äußeren Rand 67 angeordnet ist, kann auch eine demgegenüber vertauschte Anordnung des Einlass-Verteilerkanals 64 und des Auslass-Verteilerkanals 65 gewählt werden.
-
Gemäß 7 ist dem Einlass-Verteilerkanal 64 ein Einlass-Anschluss 71 für den Einlass von Kühlmedium in den Einlass-Verteilerkanal 64 zugeordnet. Ein entsprechender hier nicht dargestellter Auslass-Anschluss für den Austritt des Kühlmediums aus dem Auslass-Verteilerkanal 65 ist ebenfalls vorgesehen.
-
Der Einlass-Verteilerkanal 64 erstreckt sich um die Längsachse A des optischen Elements 40' um beispielsweise weniger als 360° oder sogar bis 360°, bildet in diesem Fall also einen Ringkanal, oder der Einlass-Verteilerkanal 64 weist entsprechend dem Ausführungsbeispiel in 5 mehrere Segmente auf, die voneinander getrennt sind. In dem Einlass-Verteilerkanal 64 strömt das eintretende Kühlmedium in bezüglich der Längsachse A azimutaler Richtung. Der Einlass-Verteilerkanal 64 mündet über einen schmalen Spalt 68 in den Hohlraum 50', wobei der Spalt 68 für eine azimutal gleichmäßige Durchströmung des Hohlraums 50' sorgt, indem das Kühlmedium im Einlass-Verteilerkanal 64 aufgestaut wird. Das gleiche gilt für den Auslass-Verteilerkanal 65, der in den Hohlraum 50' über ebenfalls einen schmalen Spalt 69 mündet. Auch hier wird eine azimutale Strömungsrichtung des Kühlmediums bewirkt.
-
Der Spalt 68 kann sich über die Erstreckung des Einlass-Verteilerkanals 64 um die Längsachse A erstrecken, oder der Spalt 68 kann durch eine Vielzahl von einzelnen kleinen Öffnungen ersetzt sein. Das gleiche gilt für den Spalt 69 des Auslass-Verteilerkanals 65.
-
Sowohl der Einlass-Verteilerkanal 64 als auch der Auslass-Verteilerkanal 65 sind auf einer vom Hohlraum 50' abgewandten Seite des Rückteils 46' angeordnet.
-
Des Weiteren kann es vorgesehen sein, dass der Einlass-Verteilerkanal 64 bzw. der Auslass-Verteilerkanal 65 über ihre Erstreckung keinen gleichbleibenden Querschnitt aufweisen, sondern einen sich vom Einlass (Einlass-Anschluss 68 in 7) aus verjüngenden Querschnitt. Wenn der Einlass-Anschluss 68 es ermöglicht, dass das Kühlmedium beim Eintritt in den Einlass-Verteilerkanal 64 zu beiden Seiten des Einlass-Anschlusses 68, d.h. zu beiden Seiten senkrecht zur Zeichenebene in 7 strömen kann, verjüngt sich der Einlass-Verteilerkanal 64 entsprechend in diese beiden Richtungen, ausgehend von dem Einlass-Anschluss 68, andernfalls verringert sich der Einlass-Verteilerkanal 64 ausgehend von dem Einlass-Anschluss 68 nur in einer Richtung.
-
Eine ebenfalls sich im Querschnitt verjüngende Querschnittsform kann bei dem Auslass-Verteilerkanal 65 vorgesehen sein.
-
Mit Bezug auf die weiteren 8 bis 12 werden weitere Einzelheiten bezüglich der Querschnittsform der strömungsbeeinflussenden Elemente beschrieben. Die nachfolgend zu beschreibenden strömungsbeeinflussenden Elemente können als die strömungsbeeinflussenden Elemente 22, 22', 52, 52', 82 bzw. 112 in jedem der optischen Elemente gemäß 1 bis 7 verwendet werden.
-
8a) zeigt einen Ausschnitt aus einer Anordnung 120 strömungsbeeinflussender Elemente 122. Die strömungsbeeinflussenden Elemente 122 weisen im dargestellten Querschnitt eine Form auf, die eine Verwirbelung der Strömung des Kühlmediums erzeugen, wie in 8b) mit einzelnen Wirbeln 124 dargestellt ist, die die Strömungsverhältnisse an einem einzelnen strömungsbeeinflussenden Element 122 zeigt. In 8a) und b) ist die Strömung des Kühlmediums mit Strömungspfeilen 126 angedeutet. Bei dem Ausführungsbeispiel in 8 sind die strömungsbeeinflussenden Elemente 122 im Querschnitt rund bzw. kreisförmig, derart, dass die Verwirbelung der Strömung des Kühlmediums sowohl auf der stromaufwärtigen Seite als auch auf der stromabwärtigen Seite der strömungsbeeinflussenden Elemente 122 auftritt. Die Grundströmung des Kühlmediums kann dabei laminar oder im laminarturbulenten Übergangsbereich (Reynolds-Zahl unter 10.000) sein. Die Verwirbelung der Strömung des Kühlmediums durch die strömungsbeeinflussenden Elemente 122 bewirkt eine gute Wärmeabführung, kann jedoch unter Umständen zu einem höheren Druckverlust in der Strömung des Kühlmediums sowie zur Anregung von Vibrationen im optischen Element führen.
-
9a) zeigt einen weiteren Ausschnitt aus einer Anordnung 130 strömungsbeeinflussender Elemente 132. Des Weiteren sind in 9a) Strömungspfeile 136 eingezeichnet, die die lokale Strömungsrichtung des Kühlmediums veranschaulichen.
-
Im Unterschied zu den strömungsbeeinflussenden Elementen 122 in 8 weisen die strömungsbeeinflussenden Elemente 132 im Querschnitt eine Form auf, die eine geringere Verwirbelung oder keine Verwirbelung der Strömung des Kühlmediums bewirken. Dies lässt sich allgemein mit einer von einer kreisförmigen Form abweichenden Querschnittsform der strömungsbeeinflussenden Elemente 132 erreichen.
-
9b) zeigt einen Spezialfall eines strömungsbeeinflussenden Elements 132', das im Querschnitt eine Form aufweist, die stromlinienförmig ist, so dass keinerlei Verwirbelungen beim Vorbeiströmen des Kühlmediums an dem strömungsbeeinflussenden Element 132' auftreten. Mit einer solchen Form der strömungsbeeinflussenden Elemente 132' können Druckverluste und Vibrationen im optischen Element aufgrund von Verwirbelung so gering wie möglich gehalten werden. Allerdings ist hier die Wärmeabfuhr aufgrund der fehlenden Verwirbelung möglicherweise geringer.
-
9c) zeigt einen Kompromiss aus guter Wärmeabfuhr und geringem Druckverlust und geringer Vibrationsanregung, was durch strömungsbeeinflussende Elemente 132" erreicht wird, die im Querschnitt beispielsweise eine Tropfenform aufweisen. In diesem Fall tritt nur auf der stromabwärtigen Seite der strömungsbeeinflussenden Elemente 132" eine Verwirbelung auf, während auf der stromaufwärtigen Seite die Strömung laminar bleibt.
-
10a) bis c) zeigen weitere Ausführungsformen und Orientierungen von strömungsbeeinflussenden Elementen 160, deren Querschnittsform länglich, beispielsweise in Form eines Flachovals bzw. eines Rechtecks mit abgerundeten Schmalseiten ist. Auch eine gekrümmte längliche Querschnittsform ist möglich. In dieser Ausgestaltung sind die strömungsbeeinflussenden Elemente 160 als leitblechförmige Pfosten ausgebildet. In 10a) sind die strömungsbeeinflussenden Elemente 160 mit ihrer Längsrichtung parallel zur Strömungsrichtung des Kühlmediums ausgerichtet, die mit Strömungspfeilen 162 dargestellt ist. Bei dieser Orientierung der strömungsbeeinflussenden Elemente 160 tritt nahezu keine Verwirbelung, jedoch eine gute Führung des Kühlmediums auf.
-
Bei der Anordnung in 10b) sind die strömungsbeeinflussenden Elemente 160' quer zur Strömungsrichtung des Kühlmediums orientiert, d.h. die Langseiten der strömungsbeeinflussenden Elemente 160' stehen etwa senkrecht zur Strömungsrichtung des Kühlmediums, die mit Strömungspfeilen 162' dargestellt ist. Bei dieser Anordnung der strömungsbeeinflussenden Elemente 160' ist die Führung des Kühlmediums vermindert und die Verwirbelung des Kühlmediums im Sinne einer guten Wärmeabfuhr hoch.
-
10c) zeigt eine Anordnung strömungsbeeinflussender Elemente 160", bei der die Orientierung der strömungsbeeinflussenden Elemente 160" zur Strömungsrichtung des Kühlmediums (Strömungspfeile 162") nicht-parallel, und zwar schräg ist, wodurch einerseits eine gewisse Verwirbelung des Kühlmediums im Sinne einer guten Wärmeabfuhr erreicht wird, andererseits das Kühlmedium gezielt durch den Hohlraum geführt wird.
-
11 zeigt ausschnittsweise ein weiteres optisches Element 140 mit einer Anordnung 142 strömungsbeeinflussender Elemente 144, die hier als Kreise dargestellt sind, wobei dies nicht als Beschränkung auf die Querschnittsform der strömungsbeeinflussenden Elemente 144 zu verstehen ist.
-
11 zeigt, dass die strömungsbeeinflussenden Elemente 144 eine veränderliche Querschnittsgröße aufweisen. Die Veränderung der Querschnittsgröße ist hier von einer Mitte 146 zu einem äußeren Rand 148 des Körpers des optischen Elements 140 dargestellt, wobei die Querschnittsgröße der strömungsbeeinflussenden Elemente 144 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel von der Mitte 146 zum äußeren Rand 148 hin zunimmt.
-
12 zeigt schließlich noch einen Ausschnitt eines Strömungsbereiches 150 in einem optischen Element, der mit strömungsbeeinflussenden Elementen 152 unterschiedlicher Größen versehen ist, um eine gute Wärmeabführung zu realisieren.
-
In allen zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen bewirken die strömungsbeeinflussenden Elemente eine permanente lokale Ablenkung der Strömung des Kühlmediums, wodurch der jeweilige Hohlraum des jeweiligen optischen Elements im Sinne einer möglichst optimalen Wärmeabfuhr so gleichmäßig wie möglich durchströmt wird.
-
Die zuvor beschriebenen optischen Elemente 10, 40, 70, 100 können durch verschiedene Herstellungsverfahren gefertigt werden. Allgemein könnte der jeweilige Hohlraum in das jeweilige Vorderteil oder das jeweilige Rückteil oder in beide eingearbeitet werden und das jeweilige Vorderteil und das Rückteil anschließend miteinander verschweißt oder verlötet werden. Auch Kleben oder eine andere Verbindungstechnik ist hier denkbar.
-
Allgemein sollte der Körper des jeweiligen optischen Elements 10, 40, 70, 100 aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit (besser als 50 W/mK) gefertigt werden. Neben den herkömmlichen Aluminiumlegierungen hat ein Substrat aus Siliciumcarbid den Vorteil eines hohen E-Moduls bei sehr niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten. Dabei könnten das jeweilige Vorderteil und das jeweilige Rückteil separat gefertigt, auf die nötige Formgenauigkeit überarbeitet und anschließend miteinander verbunden werden. Alternativ könnten das jeweilige Vorderteil und das jeweilige Rückteil aus einem Grünkörper gefertigt und durch einen anschließenden Silizierprozess zu SiC verarbeitet werden. Aluminium, Kupfer und Kupferlegierungen können ebenso als Material verwendet werden.
