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Linsenfassungen dienen der präzisen mechanischen Halterung von optischen Linsen in genauen Positionen innerhalb eines Linsensystems, d. h. in einer bestimmten Distanz der Scheitelpunkte benachbart angeordneter Linsen und fluchtenden Ausrichtung deren optischer Achsen zueinander. Zur Herstellung von optischen Systemen wie Objektiven werden die Linsenfassungen bevorzugt nach dem Stapelfassungsprinzip montiert, bei dem jeweils zwei benachbarte Linsenfassungen direkt über ihre Anlageflächen oder indirekt über dazwischen angeordnete Distanzringe miteinander verschraubt werden, womit die mechanischen Achsen der Linsenfassungen in Abhängigkeit von der Ebenheit und Parallelität mit einem tolerierbaren Kippwinkel und Vernachlässigung des radialen Spiels der Schraubverbindung zueinander fluchtend, die Systemachse bildend, angeordnet werden.
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Grundsätzlich lassen sich die Linsenfassungen bezüglich der Ausrichtung der optischen Achse der gefassten Linse zur Systemachse in zwei Gruppen unterteilen.
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Bei einer ersten Gruppe wird die Linse mit der Linsenfassung fest verbunden, bevor anschließend die an der Linsenfassung vorhandenen Anlageflächen bearbeitet werden, bis diese mit ausreichender Ebenheit und Parallelität orthogonal zur optischen Achse der Linse verlaufen. Praktisch wird hier die mechanische Achse der Linsenfassung, bestimmt durch die Lage der Anlageflächen, zur optischen Achse der gefassten Linse hin aufgerichtet. Werden dann mehrere solche Linsenfassungen über die Anlageflächen miteinander verbunden, so verlaufen die optischen Achsen der Linsen parallel und nach lateraler Justage zueinander fluchtend zur durch alle optischen Elemente verlaufenden definierten Systemachse. Die Abstände der Scheitelpunkte können während der Bearbeitung zum Zwecke der Aufrichtung sowie über zwischen die Linsenfassungen gefügte Distanzringe eingestellt werden. Für Linsenfassungen, bei denen die Linsen eingeklebt werden sollen und die für eine Anwendung im UV-Bereich vorgesehen sind, ergibt sich aus der Notwendigkeit, dass UV-beständige Klebstoffe verwendet werden müssen, der Nachteil einer langen, zum Teil mehrere Tage andauernden Aushärtungszeit, woraus sich die Notwendigkeit ergibt, die Lage der Linse, in der sie in die Linsenfassung gefügt wurde, beizubehalten. Kommt es während des Aushärteprozesses zu kleinen, aber im Hinblick auf die hohen Anforderungen kritischen Lageänderungen, so ist das kein Problem, solange anschließend die Anlageflächen noch bearbeitet werden.
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Will man jedoch, z. B. zur Vermeidung einer Verschmutzung der Linse, die Anlageflächen der Linsenfassung nach dem Einkleben der Linse nicht nacharbeiten, muss diese bereits vor dem Einkleben der Linse die geforderte Ebenheit und Parallelität aufweisen sowie die Linse beim Einfügen in die Linsenfassung einjustiert und die Beibehaltung der einjustierten Lage über die Dauer der Aushärtung des Klebers sichergestellt werden. Das ist nur möglich, wenn die Linsenfassung in der Klebevorrichtung verbleibt. Die Klebevorrichtung steht damit nicht für weitere Montagen von Linsen zur Verfügung. Dieser übliche als Richtkleben bezeichnete Prozess basiert auf dem „Aufrichten der Linse“ in der Linsenfassung und der schnellen Fixierung mittels schnellaushärtendem Klebstoff. Für Anwendungen mit UV-Licht sind aufgrund der Gefahr des Transmissionsverlustes infolge der Kontamination optischer Flächen der Linsen und deren Beschichtungen mit organischen Molekülen nur bestimmte Anordnungen geringer Mengen von speziellen Klebstoffen zulässig, die sich vielfach durch lange Aushärtezeiten im Bereich mehrerer Tage auszeichnen, weshalb ein Richtkleben nur bedingt möglich ist.
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Eine zweite Gruppe von Linsenfassungen besteht aus einem Außenring (Hauptfassung) und einem Innenring (Hilfsfassung), die über manipulierbare Verbindungsstrukturen diskret oder monolithisch miteinander verbunden sind. Die im Innenring gefasste Linse wird über die Manipulation der Verbindungsstrukturen verkippt, bis die optische Achse mit der mechanischen Achse des Außenrings zusammenfällt, und dann in dieser Lage fixiert. Für Linsenfassungen, die im UV-Bereich einsetzbar sein sollen, ergibt sich der Vorteil, dass die Linse in einem Innenring mit geringen Anforderungen an eine Lagegenauigkeit gefügt und mit einem lange aushärtenden Klebstoff verbunden werden kann, bevor anschließend eine Montage und Justage innerhalb des Außenrings unter Reinraumbedingungen möglich ist.
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Aus der
EP 1 164 397 A1 ist eine Objektivfassung mit einer Innenfassung (Innenring, Hilfsfassung), in der ein optisches Element gefasst ist, und einer Außenfassung (Außenring, Hauptfassung) offenbart, bei der die Innenfassung mit der Außenfassung über eine Dreipunktlagerung verbunden ist, um eine nachträglich Montage oder Demontage der Innenfassung in die Außenfassung zu ermöglichen. Die als Kugeln ausgeführten Lagerkörper der drei die Dreipunktlagerung bildenden Lager sind zur Vermeidung einer Überbestimmtheit unterschiedlich ausgeführt. Vorteilhaft liegen die Kugeln jeweils über ein an der Außenfassung angeordnetes höhenverstellbares Basiselement auf, womit die Linse in axialer Richtung verschoben und ihre optische Achse verkippt und damit zur mechanischen Achse der Objektivfassung ausgerichtet werden kann. Die hier beschriebene Objektivfassung ist insbesondere für Projektionsobjektive in der Halbleiterlithographie vorgesehen. Die hier verwendeten vergleichsweise sehr großen und schweren Linsen werden durch ihre Schwerkraft liegend in der Linsenfassung gehalten. Vorteilhaft wird vorgeschlagen, die Linse gegen eine axiale Verschiebung durch eine Sicherungseinrichtung zu sichern, die durch Bügel gebildet wird, die über den Umfang der Innenfassung verteilt drucklos an der Innenfassung anliegen.
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Auch in der
DE 37 30 094 C2 ist eine Linsenfassung beschrieben, bei welcher eine Hilfsfassung (Innenring, Innenfassung) in einer Hauptfassung (Außenring, Außenfassung) in drei Freiheitsgraden justierbar angeordnet ist. Hierfür sind gemäß einem Ausführungsbeispiel drei exzentrische Verstelleinrichtungen vorhanden. Die Verstelleinrichtungen sind jeweils durch eine Welle mit einer daran befestigten Exzenterscheibe gebildet. Die Achsen der Wellen sind jeweils um 120° zueinander versetzt, radial zur Achse der Hilfsfassung hin ausgerichtet, in der Hilfsfassung drehbar gelagert. Die Exzenterscheiben stehen jeweils mit ihrer Umfangsfläche auf einer an der Hauptfassung ausgebildeten Basisfläche, so dass die Hilfsfassung beim Drehen der Exzenterscheiben gegenüber der Basisfläche verkippt wird. In der Hauptfassung ist pro Verstelleinrichtung ein Durchgriff vorhanden, durch den hindurch mit einem Werkzeug in einen in der Verstelleinrichtung vorhandenen Schlitz eingegriffen werden kann, um die Welle und damit den daran befestigten Exzenter zu drehen. Durch eine Drehung der gleich ausgebildeten und angeordneten Exzenter um einen gleichen Drehwinkel in gleicher Drehrichtung wird die Linse axial verschoben. Über eine Drehung der Exzenter um unterschiedliche Drehwinkel wird die Kippung beeinflusst und die optische Achse der Linse wird zur mechanischen Achse der Hauptfassung aufgerichtet. Auch hier wird, wie in der vorgenannten
EP 1 164 397 A1 , die Hilfsfassung durch ihre Schwerkraft in der Hauptfassung gehalten. Als Sicherungseinrichtung, um eine axiale Verschiebung der Linse zu vermeiden, sind Druckfedern vorgesehen, die die Hilfsfassung spielfrei gegen die Hauptfassung drücken.
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Beide vorgestellten Linsenfassungen sind ausschließlich für vertikal montierte und vertikal betriebene Objektivfassungen geeignet und erlauben entsprechend keine beliebige Anordnung der Linsenfassung im Raum.
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Als weiteren Stand der Technik wird auf die
DE19939620 A1 hingewiesen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine neue Linsenfassung, geeignet zur Verwendung im UV-Bereich (ultravioletter Wellenlängenbereich von Strahlung), zu schaffen, die es erlaubt, unabhängig von der Raumlage der Linsenfassung einen Innenring innerhalb eines Außenrings mittels exzentrischer Verstelleinrichtungen zu justieren und anschließend die Justierlage mit einem für UV-Anwendungen ungeeigneten Klebstoff zu fixieren.
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Diese Aufgabe wird für eine Linsenfassung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung soll nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Zeichnungen näher beschrieben werden. Hierzu zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Linsenfassung im Schnitt und
- 2 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Linsenfassung im Schnitt.
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Eine erfindungsgemäße Linsenfassung weist grundsätzlich, wie in den 1 und 2 gezeigt, einen Innenring 1, in dem eine Linse unmittelbar gefasst ist, einen Außenring 2 mit einer Außenringachse 2.0 und wenigstens drei Exzenter 3 auf, über die der Innenring 1 jeweils mit dem Außenring 2 in Verbindung steht. Vorteilhaft sind es genau drei oder sechs Exzenter 3. Die Exzenter 3 sind jeweils gleich gestaltet und dimensioniert. Sie weisen jeweils eine Welle 3.1, mit einer Wellenachse 3.1.0, und eine auf der Welle 3.1 angebrachte Scheibe 3.2, mit einer Mittelachse 3.2.0, auf. Die Mittelachse 3.2.0 ist mit einem Exzenterabstand e parallel zu der Wellenachse 3.1.0 der Welle 3.1 angeordnet.
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Die Exzenter 3 sind bevorzugt gleichmäßig verteilt in der Linsenfassung angeordnet. Von jedem der Exzenter 3 ist die Welle 3.1 im Außenring 2 jeweils so gelagert, dass die Wellenachse 3.1.0 radial zur Außenringsachse 2.0 ausgerichtet ist. Die Scheibe 3.2 jeweils eines der Exzenter 3 ist in jeweils einer Ausnehmung 4 mit einem Spiel angeordnet.
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In dem Innenring 1 sind Durchgangsbohrungen 5 vorhanden, die jeweils in eine der Ausnehmungen 4 führen und in die zur Lagesicherung des Innenrings 1 zum Außenring 2 Klebstoff 6 eingebracht ist.
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Mit einer solchen Linsenfassung ist es möglich, zuerst die ungefasste Linse in den Innenring 1 einzukleben, ohne dass hierbei die Linse exakt zum Innenring 1 justiert werden muss oder die Einhaltung der Relativlage, in der die Linse im Innenring 1 eingeklebt wird, während des Aushärtens des Klebstoffes 6 garantiert werden muss. Das hat den Vorteil, dass eine mit einem Klebstoff 6 fixierte Linse, bei der der Klebstoff 6 eine lange Aushärtezeit im Bereich von mehreren Tagen erfordert, nicht zwingend in der Klebevorrichtung gehalten werden muss. Die genaue Justierlage der Linse zur Außenringachse 2.0 erfolgt nach Montage des Innenrings 1 im Außenring 2. Dazu wird der Außenring 2 in einer Montagevorrichtung horizontal gehalten, der Innenring 1 eingefügt und die Exzenter 3 durch den Außenring 2 hindurch in den Innenring 1 eingeführt. Der Innenring 1 kommt dabei auf den Exzentern 3 zur Auflage und liegt durch seine Schwerkraft und / oder unter Einwirkung eines Andruckmittels axial an den Exzentern 3 an. Indem die Welle 3.1 eines Exzenters 3 um ihre Wellenachse 3.1.0 gedreht wird, wird der Innenring 1 mit der Scheibe 3.2 angehoben oder abgesenkt.
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Eine Verdrehung des Innenrings 1 gegenüber dem Außenring 2 während der Justage mittels der Exzenter 3, die maximal um das Bogenmaß des zweifachen Exzenterabstandes e sein kann, kann vernachlässigt werden. Der maximale Gesamthub des Innenrings 1 gegenüber dem Außenring 2 in axialer Richtung der Außenringachse 2.0 entspricht dem doppelten Exzenterabstand e. Bei nur geringen Lageabweichungen der Linse von ihrer Justierlage innerhalb des Innenrings 1 kann ein Exzenterabstand e von weniger als 100 µm ausreichend sein, um die gefasste Linse in die Justierlage gegenüber dem Außenring 2 zu bringen.
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Die erforderliche Exzentrizität, gleich dem Exzenterabstand e, ergibt sich aus der Toleranzkette von Linsenkeilfehler, Winkelfehler etwaiger Anlageflächen an Linse, Fassung und einem Klebespalt 8 dazwischen sowie der Lageabweichung der radialen Bohrungen im Innenring 1 und Außenring 2.
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Werden alle Exzenter 3 von einer gleichen Einbaulage ausgehend um einen gleichen Drehwinkel in gleiche Drehrichtung gedreht, wird der Innenring 1 in axialer Richtung der Außenringachse 2.0 verschoben. Ansonsten kann der Innenring 1 und damit die optische Achse der Linse verkippt werden, um diese zur Außenringsachse 2.0 auszurichten. Damit ist die im Innenring 1 gefasste Linse um drei Freiheitsgrade bewegbar. Nachdem die im Innenring 1 gefasste Linse in die Justierlage gebracht wurde, werden die Durchgangsbohrungen 5 mit Klebstoff 6 befüllt. Der Klebstoff 6 dringt in die jeweils angrenzende Ausnehmung 4 und verbindet hier die Scheibe 3.2 stoffschlüssig mit dem Innenring 1. Es können mehrere Durchgangsbohrungen 5, die mit Klebstoff 6 befüllt werden, in eine Ausnehmung 4 führen. Ebenso muss nicht in jede Ausnehmung 4 eine Durchgangsbohrung 5, die mit Klebstoff 6 befüllt wird, führen. Vorteilhaft kann hier, selbst wenn die Linsenfassung für eine UV-Anwendung vorgesehen ist, als Klebstoff 6 ein schnell aushärtender, nicht UV-resistenter Klebstoff 6 verwendet werden. Das ist möglich, da der Klebstoff 6 konstruktiv an Stellen eingebracht ist, an die eine durch die Linse geführte Strahlung, auch entstehende Streustrahlung, nicht gelangt. Vorteilhaft können die Durchgangsbohrungen 5 zur Außenfläche des Innenrings 1 hin lichtdicht durch eine Abdeckung verschlossen sein. Die Abdeckung kann z. B. ein in die Durchgangsbohrung 5 eingeführter Stift 7 sein.
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Damit zwischen den Scheiben 3.2 und dem Innenring 1 nur ein linienförmiger Kontakt entsteht, weist die Scheibe 3.2 vorteilhaft die Form einer Kugelschicht auf, so dass der Klebstoff 6 auch wenigstens teilweise die Ausnehmung 4 füllt.
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Die beiden in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele unterscheiden sich in der Ausführung des jeweils der Scheibe 3.2 abgewandten Endes der Welle 3.1 eines der Exzenter 3.
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Zur Justage ist an der Stirnfläche der Welle 3.1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1 eine kantige Erhebung vorhanden, an der ein Werkzeug angesetzt werden kann, um die Welle 3.1 zu drehen. An der Stirnfläche der Welle 3.1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nach 2 ist eine kantige Aussparung vorhanden, in die ein Werkzeug eingeführt werden kann, um die Welle 3.1 zu drehen.
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Die Welle 3.1 selbst ist gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, gezeigt in 1, an dem der Scheibe 3.2 abgewandten Ende konisch ausgebildet, sodass sie in dem Außenring 2 radial und axial zur Außenringachse 2.0 spielfrei gelagert ist.
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Alternativ weist die Welle 3.1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, gezeigt in 2, an dem der Scheibe 3.2 abgewandten Ende ein Außengewinde auf.
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Die Ausführung der Stirnflächen der Wellen 3.1 und deren Außenkontur ist beliebig kombinierbar und nicht an die beiden genannten Ausführungsbeispiele gebunden.
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Vorteilhaft weist die Welle 3.1 an dem der Scheibe 3.2 abgewandten Ende an die Stirnfläche grenzend einen Absatz auf, der mit dem Außenring 2 den Klebespalt 8 bildet und zur zusätzlichen Lagesicherung mit Klebstoff 6 befüllt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Innenring
- 2
- Außenring
- 2.0
- Außenringachse
- 3
- Exzenter
- 3.1
- Welle (des Exzenters 3)
- 3.1.0
- Wellenachse
- 3.2
- Scheibe (des Exzenters 3)
- 3.2.0
- Mittelachse (der Scheibe 3.2)
- 4
- Ausnehmung
- 5
- Durchgangsbohrung
- 6
- Klebstoff
- 7
- Stift
- 8
- Klebespalt
- e
- Exzenterabstand
