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Hintergrund
der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Optikgerätbefestigungsvorrichtung
und ein Verfahren zum Einstellen der Winkelposition des optischen
Geräts
ohne eine wesentliche lineare Verschiebung desselben, und insbesondere
auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Ermöglichen einer präzisen Einstellung
der Richtung eines Laserstrahls und/oder einer präzisen Translation
ohne eine Winkelabweichung.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik:
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Bei
verschiedenen optischen Systemen müssen Hersteller oder Bedienungspersonen
mehrere optische Komponenten mit großer Genauigkeit und Wiederholbarkeit
ausrichten und positionieren. Auch ist es, da Laser in modernen
optischen Systemen oft als Lichtquellen verwendet werden, oft erwünscht, die
Richtung eines Laserstrahls zu manipulieren (d. h. Winkeleinstellung),
ohne seine lineare Position zu verändern (d. h. ohne Translation).
Dementsprechend ist es oft erwünscht,
Winkeleinstellungen der Komponenten des optischen Systems in jeder
Ebene zu isolieren. Ferner ist es oft erwünscht, dass eine Winkeleinstellung
der Komponenten von Translationseinstellungen unabhängig ist.
Alle Endeinstellungen müssen
dann robust festgeklemmt werden, um Versand, Einbau und/oder Verwendung des
Produkts in der Umgebung des Betreibers zu überstehen. Bei herkömmlichen
einstellbaren Befestigungen stört
die Aktion des Festklemmens jedoch oft die Einstellung des optischen
Geräts,
und eine schlechte Festklemmbarkeit kann zu einer Winkelverschiebung
des optischen Geräts
während
Versand und/oder Einbau führen.
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Ein
derartiges optisches System, das eine optische Präzisionspositionierung
seiner Komponenten erfordert, ist ein Laserinterferometersystem. Laserinterferometerpositionierungssysteme
sind Schlüsselkomponenten
in der Herstellungsausrüstung
für integrierte
Schaltungen (ICs), wie z. B. Photolithographieschrittgeber (bzw.
-Stepper), Röntgenschrittgeber
und E-Strahl-Maschinen. Mit der Genauigkeit und Wiederholbarkeit,
die von Laserinterferometern verfügbar sind, können mehrere
Schichten auf ICs präzise
ausgerichtet werden, was zu höheren Schaltungsdichten
und einer größeren Ausbeute führt. IC-Prüfungs- und
Reparatursysteme profitieren auch von der Präzision von Laserinterferometersystemen.
Die Messungswiederholbarkeit eines Laserinterferometers ist zum
Herstellen von Plattenlaufwerken mit hoher Speicherkapazität in der
Computerindustrie entscheidend. Eine Laserinterferometerpositionierung
wird auch bei der Herstellung von anderen Messgeräten, wie
z. B. holographischen, Glas- und Metallskalen, und zur Kalibrierung
derselben verwendet. Die Hochauflösungs- und Präzisionsbewegungssteuerfähigkeit
von Laserinterferometern ermöglicht es,
dass Präzisionsschneidemaschinen
(Fräs-, Drechsel-
und Schleifmaschinen) genauere Teile mit glätteren Oberflächenvergütungen erzeugen. Laserinterferometerpositionierungssysteme
werden auch allgemein bei einer großen Bandbreite von anderen
Anwendungen verwendet, einschließlich fortgeschrittener Metrologie,
Koordinatenmessmaschinen, mechanischer Schwingungsanalyse, PC-Platinenherstellung
und dergleichen. Laserinterferometersysteme sind besonders nützlich beim
Vornehmen von Lineardistanz-, Diagonal- und Winkelmessungen, sowie
zum Messen von Ebenheit, Weggeradheit, Linearparallelität und dergleichen.
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Laserinterferometersysteme
basieren auf Techniken, die durch A.A. Michelson in den späten 1890ern
zum ersten Mal entwickelt wurden, um Distanzen durch ein Zählen von
Wellenlängen
des Trägersignals
zu messen. Michelson verwendete einen halbversilberten Spiegel,
um den Strahl von einer Lichtquelle in zwei Strahlen zu teilen,
die von entfernten Spiegeln reflektiert wurden und an dem halbversilberten
Spiegel wiedervereinigt wurden. Wenn die Spiegel genau ausgerichtet
und bewegungslos sind, sieht der Betrachter eine konstante Lichtintensität; falls
jedoch einer der Spiegel sehr langsam bewegt wird, sieht der Betrachter,
dass der Strahl wiederholt in seiner Intensität zu- und dann abnimmt, wenn
sich das Licht der zwei Wege addiert und aufhebt. Jede Halbwellenlänge einer
Spiegelbewegung führt
zu einer Gesamtveränderung
des optischen Weges von einer Wellenlänge und einem kompletten Zyklus
einer Intensitätsveränderung.
Falls die Wellenlänge des
Lichts bekannt ist, dann kann die Bewegung des Spiegels genau bestimmt
werden.
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Die
Vorrichtung von Michelson in ein grobes elektronisches Messinstrument
umzuwandeln, erforderte nur eine Photozelle, um eine Strahlintensität in ein
variierendes elektrisches Signal umzuwandeln, und einen elektronischen
Zähler,
um die Strahlintensitätszyklen
zusammenzuzählen.
Um ein derartiges Gerät
praktisch anwendbar zu machen, waren jedoch mehrere andere Verbesserungen
notwendig. Erstens verwenden moderne Interferometer aus zwei Gründen Laser
als Lichtquellen: Falls das Interferometer über eine erhebliche Distanz
verwendet werden soll, muss das Licht rein sein (d. h. eine einzige Wellenlänge). Falls
das Interferometer genau sein soll, dann muss die Wellenlänge genau
bekannt sein. Eine zweite Verbesserung umfasste eine Richtungserfassungselektronik.
Eine einzelne Photozelle könnte
die Bewegungsrichtung des Zielreflektors nicht ausreichend erfassen.
Das Verfahren, das von den meisten herkömmlichen Interferometern verwendet wird,
um eine Richtung zu erfassen, umfasst ein Teilen von einem der optischen
Strahlen in zwei Teile, wobei ein Teil hinsichtlich seiner Phase
um 90° verzögert wird,
und dann nach einer Wiedervereinigung ein Erfassen jedes Teils des
Strahls unter Verwendung einer separaten Photozelle. Diese Technik
erzeugt zwei Signale, die sinusförmig
in ihrer Intensität variieren,
wenn sich die Reflektoren bewegen, und die Signale unterscheiden
sich in ihrer Phasenhelligkeit um 90°. Nach einer Gleichsignalverstärkung können diese
beiden Signale verwendet werden, um einen umkehrbaren Zähler zu
treiben, und die Phasentrennung ist ausreichend, um dem Zähler die
Richtung der Bewegung mitzuteilen. Die dritte Verbesserung, der
sich nur teilweise zugewandt wurde, ist eine Präzisionspositionierung der optischen
Komponenten (d. h. der Spiegel).
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Moderne
Laserinterferometersysteme werden gewöhnlich durch OEMS als die Skala
bei Präzisionsbewegungssteuersystemen
verwendet. Normalerweise verwenden diese Systeme mehrere Achsen einer
Linear- und Winkelbewegung. Da ein Laser Licht an sechs oder mehr
Interferometerachsen liefern kann, besteht ein Bedarf an mehreren
Strahlteilern und Strahlbiegespiegeln, um Strahlen zu teilen und
dieselben an jedes Interferometer zu liefern. Da der Ausgangsstrahl
von einem Interferometer genau parallel zu der Richtung einer Achsenbewegung
sein sollte, müssen
außerdem
einzelne Eingangsstrahlschenkel winkelmäßig gelenkt und verschoben
werden, um auf jedes Interferometer auszurichten.
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Der
Wunsch, die Winkelrichtung und -position von Laserstrahlen mit großer Genauigkeit
und Präzision
einzustellen und festzustellen, hat in den letzten Jahren zugenommen.
Bei verschiedenen Anwendungen, wie z. B. Medizin, Forschung, IC-Herstellung,
Faseroptik und Metrologie, besteht schon lange, aber bislang ungelöst, ein
Bedarf, die Winkelrichtung eines Laserstrahls ohne eine Beeinträchtigung
der linearen Richtung des Strahls (d. h. ohne ein Verschieben des
Strahls) einzustellen. Auch hat sich die Fähigkeit, einen Laserstrahl
ohne eine Winkelabweichung präzise
zu verschieben, dem Zugriff von Fachleuten in der Optikindustrie
jahrelang entzogen. Diese Einstellungen müssen meistens unabhängig voneinander
und robust festklemmbar sein (wie im Vorhergehenden erörtert),
ohne die Anfangsausrichtungseinstellung zu stören.
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Herkömmliche
einstellbare Befestigungen sind normalerweise groß, zerbrechlich,
anfällig
für Schwingungs-
und Wärmeausdehnungsfehler,
und ein Festklemmen ist schwierig. Außerdem stört die Aktion des Festklemmens
oft die Anfangsjustierungseinstellung. Im Einzelnen bieten herkömmliche
kinematische Befestigungen, wie z. B. die einstellbare Befestigung
NewportTM Modell 600A, normalerweise eine
gute Auflösung,
verschieben jedoch zusätzlich zu
dem oben Genannten einen Laserstrahl, während sein Winkel gelenkt wird.
Deshalb können
diese Parameter (d. h. Translation und Winkelposition) nicht unabhängig eingestellt
werden. Kardanbefestigungen, wie z. B. die einstellbaren Befestigungen
der NewportTM SL- und SK-Serien, vermeiden
normalerweise das Strahltranslationsproblem durch ein Befestigen
des Spiegels an der Basis entlang einer Mittelachse des Spiegels.
Diese Kardanbefestigungen weisen jedoch eine schlechte Auflösung, Umgebungsempfindlichkeit
und Festklemmbarkeit sowie Zerbrechlichkeit und eine erhebliche
Größe auf. Halbkinematische
Befestigungen, wie z. B. die einstellbaren Befestigungen ZygoTM Modell 7010 und 7011 und die HP®-Modelle
10710 und 10711, weisen normalerweise eine fast nicht verwendbare
Auflösung
und Festklemmbarkeit für
ultraempfindliche Anwendungen auf.
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Die
US-5,542,598 bezieht sich z. B. auf einen Linsenrahmenhaltemechanismus.
Der Linsenrahmenhaltemechanismus umfasst eine kugelförmige Oberfläche, bei
der es sich um eine spezifizierte Region der äußeren Oberfläche eines
Linsenrahmens zum Halten eines optischen Systems handelt, und die
als ein getriebenes und gehaltenes Bauglied wirksam ist. Die kugelförmige Oberfläche wird
durch kugelförmige
Rotatoren gehalten, die als Haltetreiberbauglieder dienen. Der Linsenrahmen
wird mittels der kugelförmigen
Rotatoren, die sich in Kontakt mit dem Linsenrahmen befinden, getrieben,
um sich zu drehen, wodurch die Ausrichtung der optischen Achse des
optischen Systems verschoben wird. Ein Linsenrahmenhaltemechanismus
weist Vorsprünge,
bei denen es sich um Haltebauglieder zum Halten des Linsenrahmens
handelt, so dass sich der Linsenrahmen mit dem Rotationszentrum
G als einer Mitte drehen kann, und einen Ultraschallwandler auf,
der ein Ausgangsbauglied aufweist, das in Kontakt mit der kugelförmigen Oberfläche des
Linsenrahmens liegt und somit den Linsenrahmen hält.
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Die
DE 861 323 C bezieht
sich z. B. auf einen Stativkugelkopf, der durch eine Rastierung
bei genau senkrechter Achsstellung gekennzeichnet ist, die sich
aus der Ineingriffnahme einer Hilfskugel, die als Raste dient, in
eine entsprechende Delle der Schwenkkugel, die mit dem Stützer verbunden
ist, ergibt. Ein Griffring kann bereitgestellt sein, der die jeweils
gewünschte
Festklemmung der Schwenkkugel über
ein Druckstück
sowie eine Druckpfanne, die auf die Schwenkkugel wirkt, vermittelt.
Zwischen dem Druckstück
und der Druckpfanne ist eine zylindrische Feder vorgesehen, durch
die selbst bei gelöstem Griffring
eine gewisse Kraftübertragung
auf die Schwenkkugel stattfindet. Ein Schwenken des Stützers in
eine zufällige
Position außerhalb
der Vertikalen erfolgt durch ein Überwinden eines bestimmten Widerstands,
wobei die Hilfskugel aus ihrer Delle herausgedrückt wird.
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Die
CH 657 935 A beschreibt
ein Stativ für eine
Kamera. Das Stativ enthält
ein Gehäuse
mit zwei Klemmbacken, die auf eine zangenartige Weise an einem stabförmigen oder
tafelförmigen
Träger
befestigt sein können,
und einem Verbindungsteil, das an das Gerät angebracht sein kann und
in dem Gehäuse
mit einem kugelförmigen
Kopf befestigt ist. Die erste Klemmbacke ist seitens des Gehäuses hergestellt
und begrenzt eine Vertiefung, die in den Seitenwänden des Gehäuses bereitgestellt
ist und den Querschnitt des Trägers
aufnehmen soll. Die zweite Klemmbacke ist an einem Klemmelement
hergestellt, das an dem Gehäuse
geführt
bewegbar ist und mittels einer Anbringungsschraube sowohl gegen
den kugelförmigen
Kopf als auch gegen den Träger
festgeklemmt werden kann, der in der Vertiefung und der ersten Klemmbacke
angeordnet ist.
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Da
der Bedarf an präziseren
optischen Systemen weiterhin zunimmt, werden neue und verbesserte
Geräte
und Verfahren zum Einstellen und Feststellen der Winkelposition
eines optischen Geräts und/oder
eines Laserstrahls benötigt.
Bislang gibt es keine wirksame und wirtschaftlich akzeptable Vorrichtung
oder ein Verfahren zum Durchführen
dieser Aufgabe.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Dementsprechend
betrifft die vorliegende Erfindung eine Optikgerätbefestigungsvorrichtung und ein
Verfahren zum Einstellen der Winkelposition eines optischen Geräts und/oder
eines Laserstrahls ohne wesentliche lineare Verschiebung desselben. Die
einzigartige Konfiguration der vorliegenden Erfindung ermöglicht,
dass das optische Gerät
in einer eingestellten Position ohne eine wesentliche Bewegung in
irgendeiner Richtung festgestellt wird.
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Die
Vorrichtung umfasst eine Kugel, die entweder ein optisches Gerät enthält, das
darin befestigt ist, oder von der zumindest ein Abschnitt selbst
ein optisches Gerät
ist. Eine Halterung ist in physischem Kontakt mit der äußeren Oberfläche der
Kugel derart platziert, dass eine Winkelverschiebung der Kugel mit
im Wesentlichen keiner linearen Verschiebung derselben möglich ist.
Eine Klemme in physischem Kontakt mit der äußeren Oberfläche der
Kugel ist in der Lage, eine Kraft durch die Kugel gegen die Halterung
zu liefern, während
im Wesentlichen kein Drehmoment auf die Kugel übertragen wird. Auf diese Weise
ist eine präzise
Positionierung des optischen Geräts
möglich.
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Bei
verschiedenen alternativen Ausführungsbeispielen
wird in Erwägung
gezogen, dass eine Mittelachse des optischen Geräts entlang einer Mittelachse
der Kugel positioniert sein kann und/oder alle Klemmkräfte durch
das Rotations zentrum der Kugel gerichtet sein können. Falls gewünscht, kann die
Kugel angepasst sein, um ein entfernbares Einstellungswerkzeug aufzunehmen,
wodurch die Masse der Vorrichtung reduziert wird, die ansonsten
herkömmlichen
permanenten Einstellungswerkzeugen zuzuschreiben wäre. Falls
eine im Wesentlichen reine kinematische Operation gewünscht wird,
kann die Halterung eine Mehrzahl von im Wesentlichen starren Bällen umfassen,
die positioniert sind, um einen Punktkontakt entlang der äußeren Oberfläche der Kugel
zu liefern. Die Halterung kann auch einen Lagerlaufweg umfassen,
der angepasst ist, um die Bälle aufzunehmen,
und um eine individuelle Drehbewegung der Bälle darin ansprechend auf eine
Bewegung der Kugel zu ermöglichen.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel
können
die Bälle
im Wesentlichen permanent in der Halterung angeordnet sein. Falls
eine halbkinematische Operation für eine gegebene Anwendung ausreichend
ist, kann die Halterung eine Bohrung umfassen, die angepasst ist,
um die Kugel aufzunehmen und einen Linienkontakt um die äußere Oberfläche derselben
zu liefern.
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Die
Klemme der vorliegenden Erfindung kann ein Strukturbauglied umfassen,
in dem eine Öffnung
gebildet ist. Ein Kolben kann gleitfähig in der Öffnung angeordnet sein, wobei
das erste Ende des Kolbens angepasst ist, um die äußere Oberfläche der Kugel
zu kontaktieren. Ein im Wesentlichen starrer Ball kann in der Öffnung nahe
dem zweiten Ende des Kolbens angeordnet sein. Zumindest eine einstellbare
Befestigungsvorrichtung oder eine feste Federbefestigungsvorrichtung
können
an dem Strukturbauglied positioniert sein, um eine Druckkraft durch
den Ball zu liefern. Eine Vorspannungsfeder kann in der Öffnung derart
angeordnet sein, dass die Feder den Ball über dem zweiten Ende des Kolbens
hält, wenn eine
Druckkraft von den ein oder mehr einstellbaren Befestigungsvorrichtungen
nicht ausreichend ist, um die entgegengesetzte Druckkraft der Vorspannungsfeder
zu überwinden.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel
liefert eine einzelne einstellbare Befestigungsvor richtung in Kontakt
mit dem im Wesentlichen starren Ball die Klemmkraft.
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Bei
einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel
umfasst die Vorrichtung eine Kugel, die entweder ein optisches Gerät enthält, das
darin befestigt ist, oder von der zumindest ein Abschnitt selbst
ein optisches Gerät
ist, eine Halterung und eine Klemme. Eine Halterung und eine Klemme,
die zumindest zwei mögliche
Positionen aufweisen, sind in Kontakt mit der äußeren Oberfläche der
Kugel platziert. Wenn sich die Klemme in einer ersten Position befindet,
kann sich die Kugel in einer beliebigen Richtung um ihren Mittelpunkt
ohne eine wesentliche lineare Verschiebung des Mittelpunkts drehen.
Wenn sich die Klemme in der zweiten Position befindet, wird verhindert,
dass sich die Kugel dreht.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Präzisionseinstellung
der Winkelposition eines optischen Geräts ohne eine wesentliche lineare
Verschiebung. Das Verfahren umfasst die Schritte eines Lieferns
einer Kugel, die entweder ein optisches Gerät darin enthält oder
selbst ein optisches Gerät
ist, und eines Haltens der Kugel derart, dass eine Winkelverschiebung
der Kugel ohne eine wesentliche lineare Verschiebung möglich ist.
Die Winkelposition der Kugel wird dann verändert, und die Kugel wird in
der veränderten
Position ohne eine wesentliche Verschiebung in irgendeiner Richtung festgestellt.
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Bei
verschiedenen alternativen Ausführungsbeispielen
kann das Verfahren den Schritt eines Positionierens einer Mittelachse
des optischen Geräts
entlang einer Mittelachse der Kugel vor einem Verändern der
Winkelposition der Kugel und/oder eines Richtens einer Klemmkraft
durch das Rotationszentrum der Kugel umfassen. Falls es gewünscht wird,
kann ein entfernbares Einstellungswerkzeug verwendet werden, um
die Winkelposition der Kugel zu verändern. Verschiedene Anwendungen
können es
erfordern, dass eine Halte rung für
die Kugel durch eine Mehrzahl von im Wesentlichen starren Bällen (z. B.
einen Dreiballsatz), durch eine abgefaste Bohrung, durch Vorsprünge, die
um den Umfang einer Bohrung in einem dreiflächigen Muster positioniert sind,
oder dergleichen bereitgestellt wird. Falls Bälle verwendet werden, um die
Kugel zu halten, kann ein Lagerlaufweg bereitgestellt werden, um
die Bälle
aufzunehmen, und um es zu ermöglichen,
dass sich die Bälle
ansprechend auf eine Bewegung der Kugel drehen. Die Kugel kann in
der veränderten
Position durch eine Klemme, die ein Strukturbauglied, einen Kolben,
zumindest eine einstellbare Befestigungsvorrichtung, einen Ball
und zumindest eine Feder in Kommunikation miteinander aufweist,
wie im Vorhergehenden beschrieben, festgestellt werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Andere
Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der
detaillierten Beschreibung ersichtlich, wenn dieselbe im Licht der beigefügten Zeichnungen
gelesen wird. Es sei darauf hingewiesen, dass diese Zeichnungen
nur zu Veranschaulichungszwecken dienen und nicht die Grenzen der
vorliegenden Erfindung definieren sollen. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Aufrissansicht einer Optikgerätbefestigungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 von 1;
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3 eine
perspektivische Schnittansicht eines Aspekts einer Optikgerätbefestigungsvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
perspektivische Teilschnittansicht eines Aspekts einer Optikgerätbefestigungsvorrichtung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, die einen abnehmbaren Einstellungsmechanismus
umfasst;
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5 eine
perspektivische Teilschnittansicht einer Optikgerätbefestigungsvorrichtung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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6 eine
Querschnittsansicht entlang der Linie 2-2 von 1;
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7 eine
vergrößerte Querschnittsansicht einer
Klemme gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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8 eine
perspektivische Schnittansicht eines Aspekts einer Optikgerätbefestigungsvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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9 eine
Querschnittsansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden
Erfindung;
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10 eine
Grundrissansicht eines Aspekts einer Optikgerätbefestigungsvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, die einen abnehmbaren Einstellungsmechanismus
umfasst; und
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11 eine
Aufrissansicht eines Aspekts einer Optikgerätbefestigungsvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte
Beschreibung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Optikgerätbefestigungsvorrichtung und
ein Verfahren zum Einstellen der Winkelposition eines optischen
Geräts ohne
eine wesentliche lineare Verschiebung desselben. Unter Bezugnahme
auf die 1–3 und 6 umfasst
ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung eine Kugel 12 und eine Halterung 14 in
physischem Kontakt mit der äußeren Oberfläche der
Kugel 12. Die Kugel 12 umfasst ein optisches Gerät, was im
Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung anzeigt, dass die Kugel 12 gefertigt
oder anderweitig angepasst sein kann, um ein optisches Gerät (nicht
gezeigt) darin aufzunehmen, oder dass zumindest ein Abschnitt der
Kugel 12 selbst ein optisches Gerät sein kann (z. B. eine Glaskugel,
ein Kugelspiegel oder dergleichen). Wie es im Folgenden im Detail
erörtert
ist, ermöglicht
die Konfiguration der Halterung 14 eine Winkelverschiebung
der Kugel 12 im Wesentlichen ohne eine lineare Verschiebung
derselben. Wie derselbe hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff „Winkelverschiebung" auf eine Drehbewegung
der Kugel 12 um ihr Rotationszentrum in zumindest einer
von einer Mehrzahl von Ebenen ohne Translation (d. h. „lineare
Verschiebung") des Rotationszentrums.
Wie derselbe hier verwendet wird, bezieht sich der Begriff „lineare
Verschiebung" auf
eine lineare Bewegung des mechanischen Mittelpunkts der Kugel.
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Die
Vorrichtung kann ferner ein Gehäuse 16 (1, 2, 4–6 und 9–11)
umfassen, das in der Lage ist, die Kugel 12 und die Halterung 14 darin
aufzunehmen. Eine Klemme 18 (1, 2 und 6–10)
ist in physischem Kontakt mit der äußeren Oberfläche der
Kugel 12 positioniert, um eine Kraft durch die Kugel 12 und
damit zu der Halterung 14 mit im Wesentlichen keinem übertragenen
Drehmoment zu liefern. Dementsprechend ist die Klemme 18 in
der Lage, eine im Wesentlichen unidirektionale Kraft gegen die Oberfläche der
Kugel 12 zu liefern, ohne eine wesentliche Drehkraft (d.
h. ein übertragenes
Drehmoment) an dieselbe zu übertragen.
Mit dieser Konfiguration kann die Winkelposition der Kugel 12 und
damit des optischen Geräts
präzise
eingestellt und nachfolgend durch die Klemme 18 aufrechterhalten
werden.
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Der
Begriff „optisches
Gerät", wie derselbe hier
verwendet wird, umfasst ein beliebiges Gerät, das eine Einstellung seiner
physischen Ausrichtung in mehr als einer Ebene erfordern kann, um
einen Aspekt einer elektromagnetischen Strahlung zu steuern. Beispiele
für optische
Geräte
umfassen Spiegel, Strahlteiler, Strahlbieger, Linsen, Translationsplatten, Wellenplatten,
Polarisierer, Faseroptikeinrichtungen, Laser und dergleichen. Falls
das optische Gerät
in der Kugel 12 befestigt ist, kann es nötig sein,
Löcher in
der Kugel 12 bereitzustellen, so dass Licht 19 mit dem
optischen Gerät
darin kommunizieren kann.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel,
das in den 2, 3, 6, 8 und 11 gezeigt
ist (Hinweis: nur einer von drei Haltebällen ist in 6 gezeigt),
weist die Halterung 14 einen Dreiballsatz 20 auf,
der zusammen mit der Klemme 18 die Kugel 12 mit
nur vier Kontaktpunkten (d. h. wo die Kugel jeden der drei Bälle kontaktiert,
und wo die Kugel die Klemme kontaktiert) festhält. Deshalb kann eine Bewegung
in mehreren Ebenen gleichzeitig oder unabhängig in immer nur einer Ebene
sein. Wie es in 8 gezeigt ist, gehen alle Zwangskräfte 13, 15a, 15b und 15c bei
diesem Ausführungsbeispiel
von einem Punktkontakt aus und sind durch die Mitte der Kugel 12 gerichtet.
Insbesondere ist die Klemmkraft 13 in drei Komponentenkräfte 15a, 15b und 15c aufgelöst, die
auf die Mitten der Bälle
des Dreiballsatzes 20 gerichtet sind, und der Dreiballsatz 20 wird
durch einen Lagerlaufweg 22 (2 und 6)
in dem Gehäuse 16 entweder
kinematisch z. B. durch einen Federballhalter 44 (11)
oder durch eine Ermöglichung, dass
sich die Bälle
drehen; oder halbkinematisch durch ein starres Befestigen der Bälle an dem
Gehäuse 16 festgehalten.
Falls es ermöglicht
ist, dass sich die Bälle
drehen, kann der Laufweg 22 mit einem Schmiermittel beschichtet
sein, um seinen Reibungskoeffi zienten zu verringern. Falls die Bälle fest
sind, können
dieselben in dem Laufweg 22 durch ein Kleben (z. B. unter
Verwendung von Epoxidharz), Schweißen, presssitzmäßiges Einbringen
oder dergleichen befestigt sein, oder die Bälle können kinematisch mit dem Federballhalter 44 festgehalten
werden. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel können diskrete,
ausgenommene Bohrungen (nicht gezeigt) in der Unterseite des Gehäuses 16 gebildet und
dimensioniert sein, um einen einzelnen Ball in jeder Bohrung aufzunehmen.
Wahlweise können
die Bälle
in ihren jeweiligen Bohrungen fest sein. Falls die Bälle fest
sind, können
dieselben mit einem Schmiermittel ausgestattet sein, um ihren Reibungskoeffizienten
zu verringern. Ein geeignetes Schmiermittel kann ohne Weiteres durch
einen praktizierenden Fachmann basierend auf einzelnen Umständen bei
einer gegebenen Anwendung ausgewählt
werden.
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Falls
derselbe bereitgestellt ist, liefert der Federballhalter 44 bevorzugt
eine ausreichende Kraft, um die Bälle 20 fest und kinematisch
in dem Lagerlaufweg 22 anzuordnen. Unter Bezugnahme auf 11 kann
der Federballhalter 44 einen Basisabschnitt 45 umfassen,
an dem ein oder mehr Haltebauglieder 46 befestigt sind.
Die Haltebauglieder 46 und/oder der Basisabschnitt 45 können aus
einem reflexiven/elastischen Material gebildet sein, das in der Lage
ist, seine ursprüngliche
Form zu halten oder wiederzugewinnen, nachdem dasselbe zusammengepresst
oder gebogen wurde. Wie es gezeigt ist, können die Haltebauglieder 46 in
der Form einer Gabel mit zwei Zinken vorliegen, die in Kombination
mit dem Laufweg 22 eine kinematische Befestigung für die Bälle 20 liefert.
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In
Betrieb stützen
sich die Ausführungsbeispiele,
die in den 2, 3, 6, 8 und 11 gezeigt
sind, zumindest teilweise auf Prinzipien eines kinematischen Entwurfs
und einer elastischen Mittelung. Allgemein ist bei jedem beliebigen Positionierungssystem
ein Fehlergrad beim Positionieren jeder seiner Komponenten enthalten.
Die Ansammlung dieser Komponentenfehler ist der „Gesamtfehler" des Systems. In
dieser Hinsicht gilt, je vorhersagbarer der Gesamtfehler, desto
einfacher ist es, den Fehler zu modellieren und zu kompensieren. Bei
einer reinen kinematischen Befestigung gibt es keine erzwungene
geometrische Kongruenz (d. h. eine erzwungene Übereinstimmung der Teile untereinander),
und der Gesamtfehler, der beim Positionieren der Komponenten einer
Struktur enthalten ist, ist vorhersagbarer. Umgekehrt erzwingt eine
Elastische-Mittelung-Befestigung allgemein eine geometrische Kongruenz
(über Einschränkung),
wodurch eine Fehlerbewertung schwieriger wird. Ein geometrischer
Fehler, der durch diese beiden Prinzipien beeinflusst wird, ergibt
sich aus einer Indexierbewegung, die durch ein Unterbrechen eines
mechanischen Kontakts, eine Neupositionierung und dann eine Wiederherstellung
des mechanischen Kontakts verursacht wird. Kinematische Prinzipien
geben vor, dass ein Objekt mit der minimalen Anzahl von Kontaktpunkten
festgehalten werden sollte, die notwendig sind, um das Objekt ausreichend
zu halten, während
eine elastische Mittelung voraussetzt, dass ein gehaltenes Objekt
eine Kraft benötigt,
die der Halterung entgegengesetzt ist, bevor das Objekt ausreichend
ohne eine Bewegung gehalten wird. Deshalb ist das Prinzip eines
kinematischen Entwurfs ein deterministischer Lösungsansatz (z. B. ein dreibeiniger Hocker),
während
das Prinzip einer elastischen Mittelung ein probabilistischer Lösungsansatz
ist (z. B. ein fünfbeiniger
Stuhl mit einem flexiblen Rahmen).
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Allgemein
legt das Prinzip eines kinematischen Entwurfs nahe, dass ein Punktkontakt
bei der minimalen Anzahl von Punkten, die benötigt werden, um einen Körper in
einer gewünschten
Position und Ausrichtung festzuhalten, eingerichtet werden soll. Folglich
können
kinematische Entwürfe
hohen Kontaktbelastungen unterliegen. Deshalb können Reibung und Mikrovertiefung
die Genauigkeit von kinematischen Modellen einschränken. Zum
Beispiel ist unter einer Belastung (p) der wirkliche Kontaktbereich
proportional zu der Härte
des weicheren der zwei Materialien in Kontakt. Bei einem Gleiten
ist die Reibungswiderstandskraft (f), die benötigt wird, um eine Oberfläche über eine
andere zu bewegen, die Kraft, die notwendig ist, um die Kontakte
zu scheren. In diesem Zusammenhang ist der Reibungskoeffizient μ definiert
als das Verhältnis
der horizontalen Widerstandskraft zu der normalen Belastung. Bei
vielen Metallen ist die Härte
etwa dreimal die Streckspannung (Γ),
und die Scherfestigkeit ist in etwa die Hälfte der Streckspannung. Dementsprechend
kann, falls die Kontakte frei von Verunreinigungen sind, die folgende
Beziehung erwartet werden: μ = f/p = Γ/2·1/(3Γ) = 1/6
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Die
obige Beziehung impliziert, dass der Reibungskoeffizient unabhängig von
Belastung und Geometrie und größtenteils
unabhängig
vom Material ist, falls das verwendete Material ein Metall ist.
Viele Faktoren werden jedoch in diesem groben Modell nicht berücksichtigt,
wie z. B. Verunreinigungen, ratenbezogene Effekte und thermische,
mechanische und chemische Eigenschaften von Oberflächen. Trotz
seiner Mängel
ist das Modell ausreichend, um anzuzeigen, dass, da die Reibung
dazu neigt, die Wiederholbarkeit von kinematischen Positionierungen
zu begrenzen, die Verwendung von harten Oberflächen mit geringer Grenzflächenscherfestigkeit
ideal sein kann.
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Die
Bälle des
Dreiballsatzes 20 können
aus einem gehärteten
Keramikmaterial oder dergleichen hergestellt sein. Die Materialauswahl
für die
Kugel 12 hängt
von vielen Variablen ab, wie z. B. der Anzahl von Löchern in
der Kugel 12, der Identifikation des optischen Geräts und den
verfügbaren
Bearbeitungswerkzeugen. Die Kugel 12 kann aus einem harten Material,
das Keramik wie z. B. Aluminiumoxid, Siliziumkarbid und Siliziumnitrid
umfasst, gebildet sein, was es der Kugel 12 ermöglicht,
Druckkräften
ohne eine wesentliche Deformation zu widerstehen. Da es schwierig
ist, harte Materialien zu bearbeiten, kann die Kugel 12 z.
B. durch ein Spritzgießen
eines Ausgangsmaterials (z. B. Aluminium oxid) als einem Pulver gefolgt
von z. B. einer Verdichtung des Pulvers zu der gewünschten
Form und einem Sintern, um ein gehärtetes Produkt zu erzeugen,
gebildet werden.
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Ein
Kontakt zwischen zwei elastischen Oberflächen wird durch sowohl die
Oberflächenvergütung als
auch die Form der Oberflächen
insgesamt verkompliziert. Diese Faktoren und die Effekte einer plastischen
Verformung neigen dazu, die Positionierungswiederholbarkeit eines
reinen kinematischen Entwurfs zu beeinträchtigen. Deshalb sollten, um
die vollen Vorzüge
eines kinematischen Entwurfs zu realisieren, große Kräfte, falls möglich, allgemein
vermieden werden. Große
Kräfte
können
in eine starr festgeklemmte Struktur eingeschlossen werden und die
Größe von so
unerwünschten
Instabilitäten
wie Kriechen und die Effekte einer mangelnden thermischen Übereinstimmung
zwischen unterschiedlichen Materialien erhöhen. In dieser Hinsicht ermöglicht die einzigartige
Konfiguration der vorliegenden Erfindung, dass Belastungen getragen
und Klemmen aufrechterhalten werden, mit einer minimalen unidirektionalen
Kraft und einem Minimum an ungewünschter Sekundärkraft (z.
B. Drehmoment).
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Falls
dasselbe bereitgestellt ist, kann das Gehäuse 16 einen Lagerlaufweg 22 definieren,
der bezüglich
der Kugel 12 konzentrisch ist, in dem jeder Ball des Dreiballsatzes 20 fest
oder frei drehbar sein kann. Zusätzlich
ermöglicht
das Gehäuse 16,
dass die Befestigungsvorrichtung an einem Maschinenbett, einem Metrologierahmen,
einer Referenzebene oder dergleichen befestigt wird. Das Gehäuse 16 kann
derart gefertigt sein, dass Licht 19 eintreten kann, um
mit dem optischen Gerät
zu kommunizieren, und/oder austreten kann. Falls eine Rollreibung gewünscht ist,
kann der Dreiballsatz 20 frei in dem Laufweg 22 drehbar
sein. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird der Dreiballsatz 20 durch eine Kombination des Laufwegs 22 in
dem Gehäuse 16 und
des Federballhalters 44, der daran angebracht ist, minimal
festgehalten und durch Reaktionskräfte, die von der Klemme 18 durch
die Kugel 12 hindurchgehen, verstärkt. Die Bälle des Dreiballsatzes 20 können (z.
B. durch den Federballhalter 44) um den Umfang des Laufwegs 22 derart
positioniert sein, dass der Abstand zwischen zwei beliebigen Bällen der
gleiche ist.
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Wie
es in 5 gezeigt ist, umfasst ein halbkinematisches Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung eine Halterung 21, die ein Loch
oder eine Bohrung 23 aufweist, das bzw. die dimensioniert
ist, um die Kugel 12 darin aufzunehmen. Bei einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
kann die Bohrung 23 abgefast sein, um die Kugel 12 leichter
gegen ihre Umfangsoberfläche
aufzunehmen. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Halterung 21 an
einer Oberfläche 25 angeordnet,
und der Abstand b zwischen dem mechanischen Mittelpunkt c der Kugel 12 und
der Oberfläche 25 befindet
sich in inverser Beziehung zu dem Durchmesser d der Bohrung 23. Deshalb
kann die Höhe
der Kugel 12 über
der Oberfläche 25 durch
ein dementsprechendes Dimensionieren der Bohrung 23 gesteuert
werden. Obwohl diese Konfiguration theoretisch einen Linienkontakt um
einen Abschnitt der Kugel 12 liefert, kann sich die Positionierung
des optischen Geräts
bei diesem Ausführungsbeispiel
nur derjenigen des kinematischen Dreiballentwurfs annähern, außer die
Kugel 12 und die Bohrung 23 können ohne endliche Oberflächenvergütungsfehler
und Formfehler erzeugt werden. Da perfekt gebildete Kugeln und Bohrungen
schwierig zu erlangen sein können,
wird eine halbkinematische Befestigung normalerweise durch eine
Verformung erreicht. Im Einzelnen stellt die Kugel 12,
wenn dieselbe in die Bohrung 23 platziert wird, einen zufälligen ersten
Punktkontakt entlang der unvollkommenen Oberfläche der Bohrung 23 her
und gleitet dann die abgefaste Kante der Bohrung nach unten, bis
ein anderer, entgegengesetzter Kontakt eine ausgleichende Kraft
liefert. Die Verbindung kann dann eine vertikale Belastung tragen,
es liegt jedoch nur ein Zweipunktkontakt vor, der einen linearen
Freiheitsgrad entlang einer größeren Achse
lässt.
Die Kugel 12 ist frei, in beide Richtungen zu schwanken,
bis dieselbe einen dritten Kontakt herstellt.
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Dementsprechend
kann die Kugel instabil sein, bis eine ausreichende Belastung angelegt
wird, derart, dass eine Verformung der Kontakte größer ist als
die Unvollkommenheiten der zwei Oberflächen. In dieser Hinsicht kann
die Klemme der vorliegenden Erfindung (in 5 nicht
gezeigt) eine ausreichende Belastung gegen die Kontakte liefern.
Wahlweise kann die Bohrung 23 eine Mehrzahl von Vorsprüngen (nicht
gezeigt) entlang ihrem Umfang umfassen, um ein dreiflächiges Loch
zu bilden und um der Kugel 12 einen Punktkontakt und eine
im Wesentlichen kinematische Halterung zu liefern.
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Bei
bestimmten Anwendungen, besonders denjenigen, die eine Laserlichtquelle
umfassen, kann es erwünscht
sein, eine Mittelachse des optischen Geräts (nicht gezeigt) entlang
einer Mittelachse 27 der Kugel 12 derart zu positionieren,
dass die Mitte des optischen Geräts
den Mittelpunkt c und damit das Rotationszentrum der Kugel 12 belegt.
Falls z. B. das optische Gerät
ein Spiegel ist, ermöglicht
diese Konfiguration, dass der Spiegel derart positioniert wird,
dass sein Einfallspunkt gleich seinem Drehpunkt ist. Die Gleichheit
des Einfalls- und des Drehpunkts zwingt einen reflektierten Strahl,
von dem Einfallspunkt ungeachtet Variationen des Einfallswinkels auszutreten,
wodurch eine optische Präzision
insbesondere bei optischen Positionsmesssystemen, wie z. B. Laserinterferometersystemen
und dergleichen, erhöht
wird.
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Bei
den Ausführungsbeispielen,
die in den 2, 6, 7 und 10 gezeigt
sind, umfasst die Klemme 18 ein Strukturbauglied 24 (Deckel oder
obere Platte), durch die eine Öffnung 29 gebildet
ist. Ein Kolben 26, der angepasst ist, um einen Punkt 31 entlang
der äußeren Umfangsoberfläche der
Kugel 12 zu kontaktieren, ist gleitfähig in der Öffnung angeordnet. Ein Ball 28 ist
in der Öffnung
nahe dem Kolben 26 angeordnet. Der Ball 28 kann
im Wesentlichen starr sein, um einer Verformung zu widerstehen.
Eine einstellbare Befestigungsvorrichtung 30 ist in Kontakt
mit dem Ball 28 platziert, um eine Druckkraft (Pfeil 33)
durch den Ball 28 auszuüben. Obwohl
in Erwägung
gezogen wird, dass andere einstellbare Befestigungsvorrichtungen
verwendet werden können,
ist eine bevorzugte einstellbare Befestigungsvorrichtung eine Schraube.
Eine Feder 32 ist in der Öffnung derart angeordnet, dass
die Feder 32 den Ball 28 über der Oberfläche des
Kolbens 26 hält, wenn
eine Druckkraft von der Befestigungsvorrichtung 30 nicht
ausreichend ist, um eine entgegengesetzte Druckkraft (Pfeil 35)
der Feder 32 zu überwinden.
Die Klemme 18 kann während
einer Einstellung eine wandernde (floatende) Punktkontaktkraft auf
die Kugel 12 liefern und eine feste, massive Klemmkraft, nachdem
die Endpositionierung erreicht ist. Die Kombination eines gleichzeitigen
Punktkontakts zwischen dem Ball 28 und der Befestigungsvorrichtung 30 und zwischen
dem Ball 28 und dem Kolben 26 ermöglicht, dass
die Endklemmkraft unidirektional durch die Mitte der Kugel 12 wirkt.
Auf diese Weise wird im Wesentlichen kein Drehmoment oder Moment
auf die Kugel 12 ausgeübt,
das ihre Position während
des Klemmens stören
würde.
Die einzige Bewegung der kinematisch festgehaltenen Kugel 12 kann
eine leichte Druckdurchbiegung sein, die minimiert werden kann,
indem extrem starre Komponenten verwendet werden.
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In
Betrieb drückt
die Befestigungsvorrichtung 30 auf den Ball 28,
der wiederum auf die Feder 32 drückt, die wiederum auf den Kolben 26 drückt, der wiederum
auf die Kugel 12 drückt,
alle in einer Richtung, die durch Pfeil 37 bezeichnet ist.
In einer ersten Position (in 6 gezeigt)
ist eine Druckkraft 33 von der Befestigungsvorrichtung 30 nicht
ausreichend, um die entgegengesetzte Druckkraft 35 der
Feder 32 zu überwinden.
Deshalb wird der Ball 28 über der Oberfläche des
Kolbens 26 gehalten. In dieser ersten Position übt die Feder
einen leichten Druck auf den Kolben 26 aus, um den Ball 28 zu
halten. Deshalb drückt
während
einer Einstellung ein leichter Federdruck auf die Kugel 12.
Wenn die Einstellung abgeschlossen ist, wird die Klemme 18 in
eine zweite Position (in 2 gezeigt) platziert durch ein
Festziehen der Befestigungsvorrichtung 30, was die Feder 32 zusammendrückt und
ermöglicht,
dass der Ball 28 direkt auf den Kolben 26 drückt. Obwohl
es in Erwägung
gezogen wird, dass andere Befestigungsvorrichtungen verwendet werden
können,
ist die Befestigungsvorrichtung 30 bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
eine Stellschraube, die gedreht werden kann, um die Klemmkraft einzurichten.
Ein Punktkontakt zwischen der Befestigungsvorrichtung 30 und dem
Ball 28 und zwischen dem Kolben 26 und dem Ball 28 ermöglicht ein
robustes Festklemmen ohne ein Stören
der Enddrehposition der Kugel 12. Vielmehr schränkt die
Klemme 18 eine weitere Drehung durch ein Erhöhen der
Reibungskräfte
an allen Punkten, die die Kugel 12 kontaktieren, ein. Wenn
dieselbe festgeklemmt ist, befindet sich die Vorrichtung in reiner
Kompression, wobei alle Kräfte
durch die Mitten der Bälle
des Dreiballsatzes 20 gerichtet sind. Die Kombination des
Gehäuses 16 und
des Dreiballsatzes 20 steht der Kraft, die durch die Klemme 18 ausgeübt wird,
direkt entgegen. Deshalb liegen im Wesentlichen keine Kräfte ohne
entgegenstehendes Element vor, um die Vorrichtung bei Temperaturveränderungen
zu verformen oder zu deformieren. Bei einer noch sichereren Befestigung
können
die Nachgebepunkte der Materialien überschritten werden, wodurch
die Kugel 12 und/oder die Haltebälle permanent deformiert (z.
B. eingedrückt)
werden, was annehmbar sein kann, wenn die Vorrichtung niemals neu
eingestellt wird.
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Wie
es in 9 gezeigt ist, kann ein alternatives Ausführungsbeispiel
der Klemme der vorliegenden Erfindung eine Mehrzahl von einstellbaren
Befestigungsvorrichtungen 40 umfassen, die an verschiedenen
Punkten an dem Strukturbauglied 24 positioniert sind. Bei
diesem Ausführungsbeispiel
geht die Öffnung 29 nicht
vollständig
durch das Strukturbauglied 24 hindurch. Der Kolben 26 ist
gleitfähig
in der Öffnung 29 angeordnet,
und die Feder 32 ist in der Öffnung 29 zwischen
einer zurückgesetzten Oberfläche 42 des
Strukturbauglieds 24 und dem Kolben 26 angeordnet.
In Betrieb liefert die Feder 32 während der Einstellung einen
leichten Druck (durch Pfeil 41 bezeichnet) durch den Kolben 26 gegen
die Kugel 12 (wie es im Vorhergehenden erörtert ist).
Die Endklemmkraft wird durch ein gleichzeitiges Festziehen einer
Mehrzahl von Befestigungsvorrichtungen 40 ausgeübt, derart,
dass die Feder 32 zusammengedrückt wird und die zurückgesetzte
Oberfläche 42 auf
den Kolben 26 drückt.
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Die
gezeigten Ausführungsbeispiele
umfassen nicht permanent Komponenten, um die Position der Kugel 12 zu
bewegen, da dies Größe, Masse
und Kosten erhöhen
würde.
Trotzdem könnten
derartige Komponenten bei einem anderen Ausführungsbeispiel permanent enthalten
sein. Es sei darauf hingewiesen, dass es bei bestimmten Anwendungen
vorteilhaft sein kann, die Masse der Vorrichtung zu minimieren,
um ihre natürliche
Frequenz zu erhöhen,
wodurch ungewollte Schwingungen minimiert werden, die durch eine
Rauschverunreinigung in ihrer Betriebsumgebung hervorgerufen werden.
Das Hinzufügen
von permanenten Einstellungskomponenten erhöht auch die Herstellungskosten
der Vorrichtung.
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Wie
es in 4 und 10 gezeigt
ist, kann eine Bewegung der Kugel 12 durch ein externes
Einstellungswerkzeug 39 bewirkt werden, das vorübergehend
an das Gehäuse 16 oder
einen anderen Referenzpunkt angebracht wird. Das Einstellungswerkzeug 39 kann
eine Befestigungshalterung 40 (10) umfassen,
die eine Komponente 34 hält, die zu einer feinen linearen
Bewegung in orthogonalen Achsen in der Lage ist, wie z. B. Differenzmikrometer mit
Spindelenden, die rechtwinklig zu den Spindelachsen positioniert
sind. Ein Hebelarm 36 kann durch eine Erweiterungskopplung
(nicht gezeigt) oder dergleichen vorübergehend an der Kugel 12 befestigt werden,
um den Arm 36 vorübergehend
starr an der Kugel 12 zu befestigen. Ein Ball 38 kann
an das entgegengesetzte Ende des Arms 36 angebracht werden
und (z. B. durch eine Federkraft 37) in die Ecke getrieben
werden, die durch die flachen Enden der orthogonal befestigten Mikrometer 34 gebildet
wird. Diese Anordnung ist in der Lage, die lineare Bewegung der
Mikrometerschrauben in eine Drehbewegung der Kugel 12 immer
in jeweils einer Ebene umzuwandeln. Wenn die Einstellung abgeschlossen
ist, kann die Kugel 12 festgeklemmt werden (wie es im Vorhergehenden
erörtert
ist) und das Einstellungswerkzeug 39 kann entfernt werden.
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Wenn
ein externes Einstellungswerkzeug 39 verwendet wird, bewirkt
eine lineare Bewegung, die in der vertikalen Ebene auf das Ende
des Hebelarms 36 übertragen
wird, eine Stampfdrehung (Pitch-Drehung) der Kugel 12.
Eine lineare Bewegung, die in der horizontalen Ebene auf den Hebelarm 36 ausgeübt wird,
bewirkt eine Gierdrehung (Yaw-Drehung) der Kugel 12. Ein
Federkolben 43 kann bereitgestellt sein, um den Hebelarm 36 gegen
die Seiten der Mikrometerspindeln 34 vorzuspannen und eine
Stampf- und Giereinschränkung
zu liefern, wenn keine lineare Bewegung übertragen wird. Bei dem gezeigten
Ausführungsbeispiel
wird ein Rollen des Hebelarms 36 um seine Achse nicht eingeschränkt, und
wenn die Einstellungen ruhen, wird die Kugel 12 in fünf von sechs
möglichen
Freiheitsgraden eingeschränkt.
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Bei
einigen Anwendungen beeinflusst eine Rolldrehung der Kugel 12 (und
ihrer integrierten Optikeinrichtung) ein Strahllenken. Somit kann
es erwünscht
sein, die Ausrichtung der Kugel 12 hinsichtlich eines Rollens
vor dem Einstellen von Stampf- und Gierwinkeln zu initialisieren.
Bevor das Einstellungswerkzeug 39 an dem Gehäuse 16 angebracht wird,
wird in Erwägung
gezogen, dass ein Vorbereitungswerkzeug (nicht gezeigt) verwendet
werden kann, um anfangs die Kugel 12 in der Rollachse auszurichten
durch ein gleichzeitiges Ineingriffnehmen eines Lochs in der Kugel 12 und
eines der Tore in dem Gehäuse 16.
Zum Beispiel kann, falls ein Spiegel in der Kugel 12 positioniert
ist, das Vorbereitungswerkzeug bevorzugt die Kugel derart ausrichten, dass
die Einfallsebene des Spiegels horizontal ist. Wenn sich der Spiegel
in der korrekten Anfangsposition befindet, kann das Vorbereitungswerkzeug
entfernt werden, und das Einstellungswerkzeug 39 kann angebracht
werden, wie es im Vorhergehenden erörtert ist.
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Es
wird in Erwägung
gezogen, dass die Optikgerätbefestigungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung einen Nutzen bei einem optischen System finden
kann, das von einer präzisen
Positionierung von zumindest einer seiner optischen Komponenten profitieren
würde.
Beispiele für
derartige optische Präzisionssysteme
können
Laserinterferometer, Laserwandler, Strahlteiler, Wafer-Stepper,
Strahltranslatoren und dergleichen umfassen.
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Ein
Laserinterferometersystem (nicht gezeigt) ist ein Satz von optischen
und elektronischen Komponenten, der die Interferenz von Laserlichtwellen
nutzt, um präzise
Distanzmessungen vorzunehmen. Laserinterferometersysteme umfassen
normalerweise drei Hauptteilsysteme: den Laserkopf, eine Optikeinrichtung
und eine Elektronik. Diese Teilsysteme bilden ein weiterentwickeltes
Michelson-Interferometer. Der Laserkopf liefert die einfarbige Lichtquelle.
Die Optikeinrichtung richtet den Strahl und erzeugt die Interferenzstreifen.
Die Elektronik erfasst die hellen und dunklen Streifen und verarbeitet
die Daten, um Distanzinformationen in einer nützlichen Form zu liefern.
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In
Betrieb emittiert ein Laser (normalerweise ein He/Ne-Laser niedriger Leistung)
einen kohärenten
Lichtstrahl, der zwei optische Frequenzen f1 und f2 aufweist, die orthogonal polarisiert sind.
Ein Teil des Ausgangsstrahls wird in dem Laserkopf zur Verwendung
bei der Laserabstimmung und als ein Referenzsignal für die Elektronik
abgespalten, während der
Großteil
des Strahls zu einem entfernten Interferometer gesendet wird. Das
polarisationsempfindliche Interferometer reflektiert eine Frequenz
zu einem Referenzpunkt (wie z. B. einer Würfelecke oder einem Spiegel)
und sendet die andere zu einem Zielreflektor. Der gesendete Strahl
wird zu dem Interferometer zurückreflektiert,
wo sich derselbe mit dem Referenzstrahl vermischt, bevor beide zu
einem Empfänger
gesendet werden. Eine Relativbewegung zwischen dem Interferometer
und dem Zielreflektor verursacht eine Doppler- Verschiebung bei der Differenzfrequenz,
die durch den Empfänger
erfasst wird. Wenn dieselbe verstärkt wird, wird diese Doppler-modulierte
Differenzfrequenz das Messsignal für die Elektronik. Die Elektronik
vergleicht das Referenzsignal von dem Laserkopf und das Messsignal von
dem Empfänger
und verarbeitet dieselben, um eine Positionierung mit hoher Auflösung und
nützlicher
Ausgabe zu bestimmen.
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Wie
bereits erörtert,
ist eine Präzisionseinstellung
von optischen Komponenten (z. B. Strahlteiler, Spiegel und Translationsplatten)
bei dem Betrieb von Laserinterferometern äußerst wichtig. Deshalb verwenden
die meisten herkömmlichen
Interferometer Würfelecken
anstelle von individuell einstellbaren Spiegeln. Würfelecken
bewirken jedoch, dass das Interferometer einen Teil der Flexibilität verliert,
die dasselbe ansonsten mit einstellbaren Spiegeln hätte. Somit
wird in Erwägung
gezogen, dass die Optikgerätbefestigungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, um Spiegel mit
der Bogensekundenempfindlichkeit auszurichten, die für die empfindlichsten
Interferometeranwendungen erforderlich ist, wie z. B. fortgeschrittene
Metrologie, IC-Herstellung und -Reparatur und dergleichen. Es wird
ebenfalls in Erwägung
gezogen, dass die Optikgerätbefestigungsvorrichtung
verwendet werden kann, um Laserstrahlen in Mehrachsenmessanwendungen
zu teilen und zu Interferometern zu richten.
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Die
Optikgerätbefestigungsvorrichtung
der vorliegenden Erfindung kann auch bei einem Laserstrahltranslator
(nicht gezeigt) besonders nützlich sein,
um eine ebene, parallele optische Platte hinsichtlich Stampfen (Pitch)
und Gieren (Yaw) zu neigen. Wenn dieselbe in dieser Eigenschaft
verwendet wird, kann ein Glasstab mit parallelen Enden in der Kugel
derart befestigt werden, dass die Enden des Stabs durch Öffnungen
in der Kugel freiliegen. Die Länge
und der Brechungsindex des Stabs sind ausgewählt, um eine gewünschte laterale
Abweichung zu dem Eingangsstrahl unter Vorgabe einer Winkeldrehung
der Kugel zu erzeugen. Eine Brechung des eingehenden Strahls gemäß dem Snelliusschen
Gesetz lenkt den Ausgangsstrahl ab bzw. verschiebt denselben, und
eine Translationseinstellung in zwei Ebenen kann unabhängig durch
ein Drehen der Kugel hinsichtlich Stampfen und Gieren, wie im Vorhergehenden
beschrieben, erreicht werden.
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Bei
bestimmten, in starkem Maße
temperaturempfindlichen Anwendungen kann es von Vorteil sein, die
Vorrichtung durch ein Bilden aller Komponenten aus dem gleichen
Material (z. B. Edelstahl oder dergleichen) zu athermalisieren.
Wenn unähnliche
Materialien verwendet werden, wird jedoch in Erwägung gezogen, dass die Wirkungen
einer Wärmeausdehnung
und -kontraktion durch ein Verwenden einer festen Federbefestigungsvorrichtung
minimiert werden können.
Zum Beispiel kann das Strukturbauglied 24 (Deckel oder
obere Platte) aus einem reflexiven/elastischen Material gebildet
sein, das in der Lage ist, seine ursprüngliche Form zu halten oder wiederzugewinnen,
nachdem dasselbe zusammengedrückt
oder gebogen worden ist. Wenn die Vorrichtung vollständig assembliert
und eingestellt worden ist, kann die feste Federbefestigungsvorrichtung
dabei helfen, trotz Temperaturschwankungen in der Betriebsumgebung
eine im Wesentlichen konstante Klemmkraft gegen die Kugel 12 zu
liefern.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass jedes der Elemente, die hier beschrieben
sind, oder zwei oder mehr zusammen auch einen Nutzen bei anderen
Anwendungen finden können,
die sich von den im Vorhergehenden beschriebenen unterscheiden.
Zum Beispiel können
andere herkömmliche
Optikgerätbefestigungsverfahren
zusammen mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wie es
durch spezifische Systemanforderungen vorgegeben wird. Derartige
Verfahren können
z. B. eine Kardanbefestigung sowie das Hinzufügen von Kardankomponenten zu beliebigen
der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele
umfassen. Obwohl die Erfindung so veranschaulicht und beschrieben
wurde, dass dieselbe in einer Vorrichtung und einem Verfahren zur
Präzisionseinstellung
der Winkelposition eines optischen Geräts ausgeführt ist, soll dieselbe nicht
auf die gezeigten Details beschränkt
sein, da verschiedene Modifizierungen und Substitutionen vorgenommen werden
können,
ohne auf irgendeine Weise von dem Schutzbereich der vorliegenden
Erfindung, wie derselbe durch die folgenden Ansprüche definiert
ist, abzuweichen.