KR20000062688A - 광축에 따른 광학엘레멘트의 이동장치 - Google Patents

Abstract

광축을 따라 광학엘레멘트 2를 이동하기 위한 장치에서, 특히 대상물에서 큰 직경을 가진 렌즈와 같은 광학엘레멘트를 이동시키기 위하여, 광학엘레멘트 2는 개략적인 조정구동부 9와 미세조정구동부 10를 가진 조정장치 8에 의해 작동하는 유지링 1에 의해 지지되고, 이 유지링 1은 광축을 따라서 보다 광축에 횡으로 실질적으로 보다 큰 경직성을 가지는 고정 조인트 4를 거쳐 지지링 3에 연결되고, 이 지지링은 부분을 형성하거나 마운트 상에 정렬된다. 고정 조인트 4는 유지링 1과 지지링 3 사이에서 유지링 1이 조정장치 8의 활성화에 기해 광축을 따라 이동가능하게 되도록 정렬된다.

Description

광축에 따른 광학엘레멘트의 이동장치 {Device for displacing an optical element along the optical axis}

본 발명은 특허청구범위 제 1 항에 상세히 기재된 내용으로 광축을 따라 광학엘레멘트를 이동하기 위한 장치에 관한 것이다.

일본 특허 JP 83 13 785 A에서는 피니언과 기어를 가진 개략장치가 서두에 언급된 정도의 장치가 개시되어 있고, 이 장치가 광축을 따라 렌즈와 정밀조정을 위한 압전 엘레멘트(piezoelectric element)을 이동하기 위해 구비되는 장치로 소개되어 있다.

압전 엘레멘트를 대상물(objectives) 이동용으로 사용한다는 것은 이미 일본특허 JP 080 94 906 A, 미국특허 56 75 444 A 및 미국특허 55 76 894 A에서 알려져 있다.

대상물(objectives)의 설치목적 또는 그 이미지에러에 영향을 미칠 목적 등, 예컨대, 배율(magnification)을 셋팅하는 것과 같은 것을 목적으로 한다면, 렌즈와 같은 광학엘레멘트를 매우 감도높은 패션(sensitive fashion)으로, 또한 매우 짧은 경로(short paths)로 광축을 따라 광학엘레멘트를 조정하는 것이 가능하여야 한다. 특히 직경 200mm 이상의 광학엘레멘트의 경우에는, 한편으로는 광학엘레멘트의 큰 덩치를 움직여야 하고, 다른 한편으로는 횡움직임(trnasverse movements), 즉, 광축에 횡방향으로 광학엘레멘트가 움직여지는 것을 어떻게 하든 방지하여야 한다는 문제가 있다. 또 한가지는 특히 광축에 수직인 축에 관하여 경사(tilting)를 방지하여야 한다.

따라서, 본 발명의 목적은 특히 크고 무거운 광학엘레멘트가 매우 정확히 그리고 광축을 따라 민감하게 특히 횡움직임(transverse movements)의 염려없이 이동되도록 하기 위해 전술한 바의 장치를 창제, 제공하는 데 있다.

제 1 도는 본 발명에 따른 장치를 나타낸 측면도 또는 부분설명도.

제 2 도는 제 1 도에 따른 장치의 부분단면을 나타낸 평면도.

제 3 도는 제 1 도와 같은 도면으로 본 발명의 추가 실시예를 나타낸다.

제 4 도는 제 1 도와 같은 도면으로 본 발명의 제 3 실시예를 나타낸다.

주요부호 :

1. 유지링(retaining ring)

2. 렌즈

3. 마운트(mount)

4. 고정 조인트(solid joint)

5, 6. 조인트 위치부(joint location)

8. 조정장치

9. 스테핑 모터(stepping motor)

10. 압전 구동부(piezoelectric motor)

11. 압축 스프링

13. 화살표

14. 화살표

15. 압축 부품

17. 투사부(projection)

이 목적은 본 발명에 따라, 특허청구범위 제 1 항에 기재된 바의 특징에 의하여 달성된다.

즉, 본 발명은 기본적으로, 광축을 따라 광학엘레멘트(optical element)를 이동시키기 위한 장치는, 특히 대물에 있어 큰 직경을 가진 렌즈와 같은 광학엘레멘트의 경우, 광학엘레멘트는 하나 이상의 조정 구동부(adjusting drive)를 가진 조정장치가 그 위에서 작용하는 유지링(retaining ring)에 의해 지지되고, 이 유지링 1은 광축을 원활히 따르고, 광축에 횡방향되는 곳으로는 큰 경직성 (stiffness)을 가지는 고정 조인트 4를 거쳐, 지지링(supporting ring) 3에 연결되며, 이 지지링은 마운트 (mount)의 일부를 형성하거나 마운트 상에서 정렬되며, 고정 조인트 4는 유지링 1과 지지링 3 사이에서 상기 유지링 1이 상기 조정장치 8의 작동에 기하여 광축을 따라 이동되도록 한 것을 특징으로 하는 광학엘레멘트의 이동장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 배열은 광축에 대하여 횡으로는 매우 빡빡한 경직성을 가져오게 하고, 그 반면 광축방향으로는 만족할 정도로 부드러움을 가져다 준다. 본 발명에 따라 고정 조인트(solid joints)를 사용하게 되면, 유지링(retaining ring)을 가진 지지링(supporting ring)의 연결을 만들 수 있고, 소정의 경직율(stiffness ratio)을 줄 수 있다. 이 지지링과 유지링은 물론, 원통형 부품에만 한하지 않고, 광학엘레멘트를 설치하기 위한 종래의 부품도 이용 가능하게 할 수 있다.

유지링과 지지링을 그들 사이에 위치케 한 고정 조인트로 하여 하나의 편으로 구조를 만들 수도 있는데, 그렇게 되면 특히 좋은 점과 해결방책을 가져다 준다. 이는 히스테리시스(histeresis)와 스트레스상 현저한 감소효과를 가져온다.

횡움직임 없이도 매우 정밀한 이동(precise displacement)은, 적어도 3개 이상의 고정 조인트(solid joints)가 유지링과 지지링 사이의 외주(circumference) 너머로 배치정렬되면, 달성가능하다. 이 경우 또한, 조정장치를 고정 조인트로 대신하는 것이 유리하다. 만일, 여기에 덧붙여 센서가 또한 구비되면, 유지링의 위치나 정렬이 추적되므로써, 광학엘레멘트는 정확히 이동될 수 있고, 이 경우 렌즈의 광축 또한 전체시스템의 광축상에 고정적으로 남아있게 된다. 결과적으로, 경사에 대한 베아링의 불안정이 적어도 3개 이상의 고정 조인트와 대응되는 구동부를 가지는 본 발명에 따른 정렬로 회피된다. 센서가 조정장치에 조합구성되면, 광학엘레멘트는 제어 루프(control loop) 또는 닫힌 루프(colsed loop)로 매우 균일하게 움직일 수 있다.

본 발명상의 특징적인 사항과 상세내용은 종속 청구범위로부터, 또한 도면을 참조한 실시예로부터 이해될 것이다.

실시예

본 발명을 다음의 실시예로 설명한다.

제 1 도는 광학엘레멘트로서 렌즈 2용 유지링(retaining ring) 1으로서의 상부링(upper ring)과 또한 마운트 3로서의 하부링으로 된 배열을 나타낸다.

외주 너머로 규칙적으로 위치 배열된 것은 예컨대 120°의 각도로 된 공간에 있는 3개의 고정 조인트 4이다. 이 고정 조인트 4는 본 발명상의 실시예에 따라, 조인트 위치부(joint location) 5를 거쳐 일측면 또는 일단부에서 지지링 3에 연결되고, 또한, 다른 단부에서 조인트 위치부 6의 보조로 유지링 1에 연결되는 커플러 (coupler)를 가진 제어 레버(control levers)로 구축된다.

유지링 1, 지지링 3과 고정 조인트 4는 하나의 구조로 되거나 하나의 편(piece)으로 만들어지고, 조인트 위치부 5, 6는 각각 유지링(retaining ring) 1과 지지링(supporting ring) 3 사이의 연결위치부를 나타낸다. 이들은 예컨대 밀링(milling)으로 깎고 다듬어 직경을 감소시켜가면서 제작된다.

고정 조인트 4의 경직성은 조인트 위치부 5 또는 6의 역에서 반경 r과 두께 t에 의하여 각각의 경우로 정의된다. 재료강도는, 다시 말해 조인트 위치부 5, 6의 깊이정도 또는 깊이는, 장치의 중간점에 안쪽으로 뻗는, 다시 말해, 광축에 횡으로, 또한 이 경우 탄성모듈 E은 경직성과 스트레스의 계산에 있어 선형적으로만 특징을 가진다. 고강도 재료나 초탄성 재료, 예컨대 니켈-티타늄 합금과 같이 소위 형상기억합금으로 알려진 재료를 사용하면 큰 스프링 행정(spring excursions)을 가질 수 있다.

유지링 1과 지지링 3 사이의 절취부(cutout) 7 또는 보어공(bore)으로 정렬되어 있는 것은 거친 조정구동부(coarse adjusting drive)로서의 스테핑 모터 (stepping motor) 9와, 또한 미세 조정구동부(fine adjusting drive)로서의 압전 구동부(piezoelectric drive) 10를 가진 조정장치(adjusting device) 8이다.

적당한 정도의 큰 행정(stroke)은 스테핑 모터 9에 있는 스핀들을 거쳐 스테핑 모터 9에 의해 공지의 방법으로 달성된다. 그리고 상기 구동부가 작동되면, 스테핑 모터 9의 조정 부재상에 정렬된 압전 구동부 10에 의해 작은 스텝 크기 (step size)가 달성된다. 압전 구동부 10는 이 경우 조인트 위치부 5로부터의 거리 b에서 조인트 4의 커플러 상에서 외주방향으로 작용한다. 이와 같이, 조정장치 8는 작동되면, 조정력은 압전 구동부 10의 작용점에서 조인트 4의 커플러 상에 작용되고, 이는 조인트 위치부 5에 관하여 토크력(torque force)을 만들게 된다.

이와 같이, 조인트 위치부 6 위로, 유지링 1은 조정장치 8가 활성화될 때 화살표 방향으로 상향하는 이동력(displacing force)을 맞게 된다. 2가지 경로, 즉, 서로로부터 2개의 조인트 위치부 5, 6의 거리 a와, 또한 조인트 위치부 5로부터 압전 구동부 10의 작용점의 거리가 되는 b는 조정장치 8가 제어동작을 수행함에 있어서의 변환율(transformation ratio)을 만든다.

압축스프링 11은 조인트 4의 커플러의 측부에 작용하고, 이는 압전 구동부 10로부터 비켜 있다. 그리고, 이는 지지링 3의 스텝 12상의 다른 단부로 지지되어, 편기(biasing)로 고유진동수(eigenfrequency)의 증가를 가져온다. 조인트 위치부 6는 유지링 1이 각기 걸려있는 곳에서 가능한 장치의 중간부로 깊이 또는 종방향으로 포인트를 가리켜야 한다. 다시 말해, 광축을 가리켜야 한다. 조인트 위치부 5는 항상 유지링(제 2 도 참조) 상에서 조인트 위치부에 항상 평행하여야 한다. 조인트 위치부 6의 깊이는, 이에 따라 반경상으로 되는데, 예컨대 20mm ~ 50mm 사이의 깊이를 갖는다.

제 3 도에 따른 일실시예에서, 고정 조인트 4의 커플러는 유지링 1의 회전으로 경사된다. 보는 바와 같이, 커플러는 평행하게 달리는 광축에 관하여 각도로 박판처럼 비스듬히 위치한다. 조정장치 8가 화살표 13의 방향으로 유지링 1의 이동으로 외주방향으로 힘을 만들게 되면, 유지링 1의 움직임은 설정각의 변화에 따라 화살표 14의 방향으로 이동을 동시에 만들게 되고, 그 결과 렌즈 2의 대응되는 이동으로 되며, 광축으로 유지링 1 상에 설치된다.

조인트 4의 커플러의 계수인 길이 L와 설정각도는 화살표 14의 방향에 따른 스트로크 움직임으로의 횡이동 변환율을 만든다. 따라서 고유진동수가 증가된다. 유지링 1과 지지링 3 사이에서 긴장 스프링(tension spring : 도시안됨)을 설치하고 또한 음각(negative angle)를 선택하는 것은 바람직하다.

이 경우, 고정 조인트 4의 커플러의 2개의 조인트 위치부 5, 6는 각각의 경우, 적어도 평행하여야 되고, 조인트 위치부 6는 장치의 중간부 방향을 가리켜야 한다.(제 2 도에 따라). 하나의 조정장치 8는 구동부로 충분한데, 적당하다면, 유지링 1의 투사부(projection) 17 또는 부착물에 작용할 때, 상기 부착물이나 투사부는 광축에 평행하게 뻗는다.

제 3 도에서 도시된 일실시예로서의 다양성은 제 4 도상의 실시예에도 나타나 있다. 이 경우, 유지링 1과 렌즈 2는 회전움직임을 갖지 않는다. 그러나 순수 스트로크 움직임이 일어나고, 조정장치 8가 그 사이에 설치되는 2개의 면, 특히 유지링 1과 지지링 3은, 서로에 일정히 평행하게 남는다. 이와 같은 정밀성 (refinement)은 압전 구동부 10에 의해 작동될 때 특히 유용하다.

이 경우 고정 조인트 4는 각각 2개의 부분으로 만들어지고, 이들의 조인트 부분(joint parts) 또는 커플러 부분(coupler parts) 4a, 4b으로 압축부분 15을 가진 토글레버(toggle lever)의 형태를 형성한다. 이 압축부분은 각각의 경우에 그들 사이에 중앙으로, 그리고 조정장치 8의 압전 구동부 10가 작용하는 곳에서 위치한다. 이 커플러 부분 4a는, 그 하나의 단부에서, 지지링 3을 가진 조인트 위치부 5를 가지고, 그 다른 단부에서, 압축부분 15을 가진 조인트부 5a를 갖는다. 커플러 4b는 그 다른 하나의 단부에서 유지링 1을 가진 조인트 위치부 6를 가지며, 또한 압축부분 15을 가진 조인트 위치부 6a를 갖는다. 이 경우, 조인트 위치부 5, 5a, 6, 6a는 커플러 4a, 4b에서 보어공 또는 둥글게 뜬 부분의 형태로 대응되는 직경 감소로 형성된다. 이 경우, 조인트 위치부 5 또는 6에서 비스듬한 보어공은 특히 커플러 부분 4a, 4b의 경사 설치(oblique setting)때문에 각각 지지링 3 속으로 또는 유지링 1으로 뻗는다.

제 4 도에서 또한 볼 수 있는 바와 같이, 조정장치 8는 2개의 고정 조인트 4가 단일 조정장치 8에 의해 각기 작용 가능하도록 2개의 서로 인접된 고정 조인트 4의 사이에 위치된다. 이 경우, 압전 구동부 10는 고정 조인트 4에서 도면의 왼쪽에 나타나 있다.

구동장치 8의 스테핑 모터 9는 인접 고정 조인트 4의 압축부분 15 상에서 그 하우징으로 지지된다. 조정장치 8가 작동되면, 양 고정 조인트 4는 이에 따라 작동과 반응에 맞추어 조정되고, 이는 곧 커플러 부분 4a, 4b의 경사설치 상의 변화를 가져온다. 그리고 이에 따라 유지링 1의 화살표 14의 방향으로 비회전 스트로크로, 또한 이에 따라 광축의 방향으로 렌즈 2의 방향으로의 변화를 가져온다. 재설치 목적상, 재설치 스프링(resetting springs) 18이 커플러 부분 4a, 4b 사이에서, 또는 지지링 3과 유지링 1 사이에서 각기 구비된다.

모든 3개의 실시예에 있어 공통적 특징은 센서 16를 예컨대 3개의 센서를 갖고 있다는 점이다. 이 센서는 외주 너머로 분산 정렬되는데, 유지링 1과 지지링 3 사이에서 광학엘레멘트 2용 유지링 1의 베아링 표면의 위치 및/또는 정렬상태를 측정하는 방법으로 분산 정렬된다. 이 센서 16는 유지링 1의 경사를 결정하거나 또는 3개의 센서가 예컨대 외주에 정렬될 경우, 조정장치 8와 결합하는 경우, 유지링 1의 균일한 스트로크 움직임 및/또는 유지링 1의 조정작동이 광축을 따라 달성되도록 보증하여 준다.

모든 액츄에이터들은 소정의 경직성의 조합과 더불어, 스트로크, 분해, 재생산 등이 본 발명상의 매니퓰레이터용 구동부로 적합하다. 다시 말해, 광학엘레멘트 이동용 장치로 적합하다. 그 하나의 예가 인치웜 구동부(Inchworm drives : 인치웜이란 상표명으로 분배기를 말함)로 제공된다.

본 발명에 의하여, 특히 크고 무거운 렌즈와 같은 광학엘레멘트가 매우 정확히, 또한 광축을 따라 예민하게, 횡으로 움직일 염려없이, 원활히 이동하게 할 수 있는 광학엘레멘트 이동장치를 공급 가능케 하므로써, 보다 크고 배율이 높은 광학엘레멘트 제조기술을 제공할 수 있게 하는 효과가 있다.

Claims (20)

1. 광축을 따라 광학엘레멘트(optical element)를 이동시키기 위한 장치는, 특히 대물에 있어 큰 직경을 가진 렌즈와 같은 광학엘레멘트의 경우, 광학엘레멘트는 하나 이상의 조정 구동부(adjusting drive)를 가진 조정장치가 그 위에서 작용하는 유지링(retaining ring)에 의해 지지되고, 이 유지링(1)은 광축을 원활히 따르고, 광축에 대하여 횡으로는 실질적으로 보다 큰 경직성(stiffness)을 가지는 고정 조인트(4)를 거쳐, 지지링(supporting ring)(3)에 연결되고, 이 지지링은 마운트 (mount)의 일부를 형성하거나 마운트 상에서 정렬되며, 고정 조인트(4)는 유지링 (1)과 지지링(3) 사이에서 상기 유지링(1)이 상기 조정장치(8)의 작동에 기하여 광축을 따라 이동되도록 한 것을 특징으로 하는 광학엘레멘트의 이동장치. (A device for displacing an optical element).
2. 제 1 항에 있어서, 상기 유지링 (1)과 지지링(3)은 이들 사이에서 위치한 고정 조인트와 같이 하나의 편으로 구조를 갖게되는 것을 특징으로 하는 광학엘레멘트의 이동장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 고정 조인트(4)는 각각의 경우 유지링(1)에 연결되는 조인트 위치부(joint location)(6)가 그 한 끝에서 구비되고 다른 한 끝에서는 지지링(3)에 연결되는 조인트 위치부(5)가 구비되는 커플러(coupler)에 의해 형성되는 광학엘레멘트의 이동장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 조인트 위치부(5, 6)는 각각의 경우 유지링(1)과 지지링(3)과 연결되는 위치부의 역에서 커플러(4)의 직경감소(diameter reductions)에 의해 형성되는 광학엘레멘트의 이동장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 조정장치(8)는 미세 조정구동부(fine adjusting drive)(10)를 구비하고, 이는 압전 엘레멘트(piezoelectric element)를 갖도록 한 광학엘레멘트의 이동장치.
6. 제 1 항에 있어서, 셋 이상의 고정 조인트(4)는 유지링(1)과 지지링(3)과의 사이의 외주(circumference) 너머로 분산 정렬되도록 한 광학엘레멘트의 이동장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 조정장치(8)는 각 고정 조인트(4)용으로 구비되는 광학엘레멘트의 이동장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 센서(16)는 유지링(1)의 위치를 결정하기 위해 구비되는 광학엘레멘트의 이동장치.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 조정장치(8)는 개략 조정을 위해 스테핑 모터 (stepping motor)(9)를 가지며, 그 조정 부재상에서 미세 조정용 미세 조정구동부 (fine adjusting drive)(10)가 정렬되는 광학엘레멘트의 이동장치.
10. 제 2 항에 있어서, 하나 이상의 조인트 위치부(6)는 유지링(1)에 연결되어 광축방향으로 적어도 개략적으로 길이방향 크기로 작동하며, 여기에서 지지링(3)에 연결된 조인트 위치부(joint location)(5)는 유지링(1)에 연결된 조인트 위치부(6)에 적어도 대략 평행하게 연결되도록 한 광학엘레멘트의 이동장치.
11. 제 3 항에 있어서, 조정장치(8)는 지지링(3)에 연결되는 조인트 위치부(5)에 관하여 고정 조인트(4)의 커플러가 회전하도록 고정 조인트(4) 상에서 작용하고, 이 유지링(1)에 연결되는 조인트 위치부(6)는 지지링(3)에 연결되는 조인트 위치부 (5)에 관계하여 정렬되며, 이는 회전 중에, 광축을 따라 적어도 개략적으로 지시되는 패션으로 유지링(1)에 연결되는 조인트 위치부(6)가 움직이도록 한 광학엘레멘트의 이동장치.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 조인트(4)의 커플러의 측부에서 작용하고, 이 측부는 조정장치(8)로부터 돌려지는 것은 스프링장치(11)로서 이 스프링장치는 지지링 (3)상에서 다른 측부로 지지되는 광학엘레멘트의 이동장치.
13. 제 3 항에 있어서, 고정 조인트(4)의 커플러는 광축에 대하여 각로 비스듬히 위치되는 광학엘레멘트의 이동장치.(제 3 도)
14. 제 13 항에 있어서, 상기 조정장치(8)는 유지링(1)의 부착부 또는 투사부 (17) 상에서 작용하며, 상기 부착부 또는 투사부는 광축에 평행하게 뻗는 광학엘레멘트의 이동장치.
15. 제 3 항에 있어서, 상기 각 고정 조인트(4)는 각각의 경우, 2개의 커플러 부분(4a, 4b)으로 구축되고, 조정장치(8)는 2개의 커플러부분(4a, 4b) 사이에 위치된 압축부분(15) 상에 토글레버(toggle lever)의 방법으로 작용하는 광학엘레멘트의 이동장치.
16. 제 15 항에 있어서, 각 커플러 부분(4a, 4b)은 조인트 위치부(각각 5, 5a, 6, 6a)와 더불어 그 단부에서 구비되고, 하나의 조인트 위치부(6 또는 5)는 유지링(1) 또는 지지링(3)에 연결되며, 반면 다른 조인트 위치부(5a 또는 6a)는 각각 동일 커플러부분(4a 또는 4b)에 속하면서 압축부분(15)에 연결되는 광학엘레멘트의 이동장치.
17. 제 15 항에 있어서, 재설치 목적으로 재설치 스프링(18)은 각각 커플러부분 (4a, 4b) 사이에서 구비되거나 또는 지지링 (3)과 유지링(1) 사이에 구비되는 광학엘레멘트의 이동장치.
18. 제 15 항에 있어서, 상기 조정장치(8)는, 각각의 경우 서로에 인접되어 위치한 2개의 고정 조인트(4)를 작동시키는 광학엘레멘트의 이동장치.
19. 제 18 항에 있어서, 조정장치(8)는 일측부에서 고정 조인트(4)의 압축부(15) 상에서 미세 조정장치(10)의 도움으로 작용하고, 그 다른 측부에서, 조정장치(8)는 그에 인접된 고정 조인트(4)의 압축부(15) 상에서 지지되는 광학엘레멘트의 이동장치.
20. 제 1 항에 있어서, 인치웜 구동부는 조정장치(8)로 이용되는 광학엘레멘트의 이동장치.