WO2005111687A1 - Halterung für optische elemente und verfahren zur herstellung eines optischen systems mit einer solchen halterung - Google Patents

Halterung für optische elemente und verfahren zur herstellung eines optischen systems mit einer solchen halterung Download PDF

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WO2005111687A1
WO2005111687A1 PCT/DE2005/000891 DE2005000891W WO2005111687A1 WO 2005111687 A1 WO2005111687 A1 WO 2005111687A1 DE 2005000891 W DE2005000891 W DE 2005000891W WO 2005111687 A1 WO2005111687 A1 WO 2005111687A1
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optical
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PCT/DE2005/000891
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Christoph Damm
Thomas Peschel
Uwe Detlef Zeitner
Torsten Feigl
Henrik Banse
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
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    • G02B7/1822—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements for prisms; for mirrors for mirrors comprising means for aligning the optical axis

Definitions

  • the invention relates to holders for optical elements in which an optical element is fastened to a carrier with three holding elements arranged at equal angular distances from one another, and to a method for producing an optical system with such a holder.
  • the invention can be used particularly advantageously in connection with optical elements which can be used for electromagnetic radiation with very small wavelengths, the EUV radiation usually also referred to as this.
  • Such optical elements should advantageously have a high reflectivity for this electromagnetic radiation.
  • this object is achieved with a holder which has the features of claim 1.
  • a method for producing such optical systems with holders according to the invention is defined in claim 20.
  • the holder for optical elements according to the invention is designed in such a way that an optical element is fastened to a carrier with three holding elements, preferably arranged at the same angular spacing from one another.
  • the holding elements can be non-positively, positively and / or materially connected to the respective carrier in a wide variety of forms.
  • the integral connection of the holding elements should be provided on a planar surface that is oriented orthogonally to the optical axis of the optical element.
  • the holding elements can be connected to the optical element on an outer lateral surface.
  • the integral connection between the holding elements and the optical element should be formed by a soldering process in which the lowest possible temperatures are required for the production of such an integral soldered connection.
  • Eutectic metal alloys known per se can thus be used.
  • Corresponding tin alloys with silver or gold are particularly preferred. With a suitable alloy composition, such solder joints can be formed even at temperatures below 300 ° C without the use of flux.
  • the holding elements used to establish the connection between the carrier and the optical element have each been provided with two solid joints.
  • one of the two solid body joints is designed such that mobility in only one degree of freedom and the other solid body joint is designed such that mobility is also possible in further degrees of freedom.
  • the respective movement options in different directions and degrees of freedom are suitable for avoiding mechanical overdetermination of the fastening.
  • the solid-state joints on the holding elements can be arranged at a distance from one another in each case by means of a corresponding geometric design on areas of holding elements between the actual fastening flanges on the carrier and the planar surface of the optical element. A distance in the range 5 to 30 mm, preferably in the range 10 to 20 mm, should be selected.
  • the solid joints can have been produced by targeted shaping, for example by removing material.
  • the longitudinal web should then preferably be oriented tangentially with respect to a circular ring about the optical axis of the respective optical element.
  • the holding elements should be connected to the optical element in a region of the respective optical element in which, in particular, deformations caused by gravitational force can be avoided or minimized.
  • the holding elements can be fastened with the optical element on a circumference that lies in the range between 0.5-0.7 times, preferably between 0.55-0.65 times, the outer diameter of the respective optical element ,
  • the holder according to the invention can very particularly preferably be used for optical elements in the form already described which have a relatively large dead weight and are correspondingly large in size.
  • optical elements reflecting the respective electromagnetic radiation can preferably be kept adjusted with high precision in the desired shape.
  • a so-called Schwarzschild lens can then be made available, in which the electromagnetic radiation impinges on a convexly curved reflective surface of the second optical element (primary mirror) through the perforation of the one optical element, and from there a concavely curved reflecting surface of the first optical element (secondary mirror) strikes and is reflected back by the latter as an expanded beam.
  • the first optical element with the opening is significantly larger in terms of its external dimensions and its own weight.
  • a corresponding security element can thus be connected to the carrier and engage in a form-fitting manner in the federal government, whereby a playful positive engagement of such a security element in the federal government should be taken into account.
  • a holder according to the invention can also have a second reflective optical element.
  • This should advantageously engage and hold it on the rotationally symmetrical outer lateral surfaces with three lever arms each engaging at the same angular distance from one another on the second optical element. Holding this second optical element by means of the lever arms should take into account an alignment with respect to the common optical axis of the two optical elements, or should allow a corresponding adjustment of the second optical element with respect to the predetermined common optical axis with the first optical element.
  • each of the three lever arms should be able to be moved laterally in relation to its own longitudinal axis.
  • the lever arms should, if possible, be designed in such a way that regions in the form of pegs are formed on them, which engage the outer lateral surface of the second optical element and contact them, and in this case in correspondingly complementary recesses on the outer lateral surface of the second optical element intervene so that self-centering, in which only self-locking occurs when overcoming the insertion of the pins into the depressions, can be achieved.
  • the complementary recesses can be in the form of spherical caps, but also in the form of V-shaped grooves.
  • a small compressive force which is less than 5 N, preferably less than I, should act on the outer lateral surface of the second optical element held in this way via the lever arms.
  • piezo drives can preferably be used as suitable linear actuators which are fastened to the corresponding outer housing part.
  • housing parts can also have been used on a holder according to the invention, a housing part then being connected to the carrier to which the holding elements have been fastened.
  • the housing parts and carrier can be releasably connected to one another. So suitable
  • Screw connections are used, on each of which complementary domes should be formed at the corresponding points on the housing parts and supports, so that a corresponding adjustment of the housing parts and supports can be achieved.
  • diffraction-limited imaging can also be achieved with electromagnetic radiation in the wavelength range around 13 nm.
  • Spherical reflecting surfaces of optical elements can be used to achieve a long-wave deviation from sphericity ⁇ 1 nm.
  • Adjustment errors even when using a holder according to the invention with optical systems as a result of different thermal expansions can be avoided as much as possible, such as deformation of optical elements as a result of acting forces and moments as well as internal stresses.
  • Procedure in the assembly and manufacture of optical systems with brackets according to the invention can be reduced, in which case the procedure should preferably be such that assembly of the carrier and housing parts is carried out with at least one attached optical element. Following that then surface finishing is carried out on at least one optically active surface of the respective optical element by ion etching, as a result of which a further considerable smoothing of the respective optically active surface takes place and, if necessary, sphericity errors can also be compensated for.
  • Figure 2 shows a carrier with attached optical element according to Figure 1, in perspective
  • the surface of the optical element 1 is concavely curved and designed to be reflective for electromagnetic radiation in the wavelength range of 13 nm.
  • the optical element 1 has an outer diameter of approximately 74 mm and is held hanging on the carrier 2 with the three holding elements.
  • the vertical joints 3.2 arranged at the bottom also allow movements in other possible Chen degrees of freedom, since they are formed on the holding elements 3 in the form of a constriction with a significantly reduced cross-section and a correspondingly reduced surface resistance moment.
  • the fastening flanges of the holding elements 3 adjoining the vertically lower fixed body joints 3.2 are integrally connected by a soldered connection to a planar surface oriented orthogonally to the optical axis of the optical element 1.
  • the tapered longitudinal webs which form the actual solid joints 3.1, are aligned tangentially with respect to a circular path formed around the optical axis.
  • FIG. 2 shows a security element 9 which connects to the carrier 2 and on the vertically lower edge of which a recessed annular groove is formed, with which a form-fitting engagement in a collar 1.1 which is formed on the optical element 1 can be achieved.
  • the intervention should involve play, so that at least one such security element 9 can prevent an optical element 1 from falling down undesirably.
  • Element 1 hangs vertically downwards with the housing part 8 can be fastened by screw connections.
  • Another outer housing part 7 can be fastened to this housing part 8 by a flanged screw connection, with which the second optical element 4 can be held and, as will be explained in more detail below, can also be adjusted.
  • the second optical element 4 with an outer diameter of approximately 12 mm, has a convex reflecting surface arranged vertically at the top, onto which electromagnetic radiation in the wavelength range of extreme UV light impinges through the aperture 1.2, from there onto the concave reflecting surface of the first optical element 1 strikes and from there is reflected vertically downwards.
  • Corresponding complementary domes are present at all screw connection points between the carrier 2 and the housing parts 8 and 7, which are also indicated, so that when the carrier and the housing parts 7 and 8 are assembled, these parts are aligned with one another and, accordingly, at least roughly alignment of the optical elements 1 and 4 and mechanical decoupling of the parts to be connected to one another can be carried out or achieved.
  • the three lever arms 5 are each connected to the outer housing part 7 via a parallelogram 6.
  • Four solid joints are formed on each of the three parallelograms 6.
  • a linear actuator 10, of which only two are shown in FIG. 3, can act on these parallelograms 6 radially from the outside.
  • the parallelograms 6 can then be used to move the lever arms 5 along their longitudinal axis, that is to say also tangentially to the outer circumference of the optical element 4.
  • By individually controlling the respective linear actuators 10 different paths can be realized in the individual lever arms 5 in order to achieve a highly precise alignment of the optical element 4 with its own, with respect to the optical axis of the optical element 1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Halterung für optische Elemente und Verfahren zur Herstellung eines optischen Systems mit einer solchen Halterung. Sie kann besonders vorteilhaft in Verbindung mit optischen Elementen eingesetzt werden, die für elektromagnetische Strahlung mit sehr kleinen Wellenlängen eingesetzt werden. Gemäss der gestellten Aufgabe soll eine dauerhafte Justiergenauigkeit mit entsprechend fixierten optischen Elementen erreicht werden können. Bei der erfindungsgemässen Halterung sind an einem Träger drei Halteelemente vorhanden, mit denen das jeweilige optische Element befestigt ist. Die drei Halteelemente weisen jeweils zwei Festkörpergelenke auf, wobei eines der Festkörpergelenke eine Bewegung in einem Freiheitsgrad und das jeweils andere Festkörpergelenk auch Bewegungen in weiteren Freiheitsgraden ermöglichen. Die Halteelemente sind stoffschlüssig an einer Fläche mit dem optischen Element verbunden. Bei der Erfindung können auch weitere optische Elemente an einer solchen Halterung befestigt werden.

Description

Halterung für optische Elemente und Verfahren zur Herstellung eines optischen Systems mit einer solchen Halterung
Die Erfindung betrifft Halterungen für optische Elemente, bei denen ein optisches Element an einem Träger mit drei in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander angeordneten Halteelementen befestigt ist sowie ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Systems mit einer solchen Halterung. Die Erfindung kann besonders vorteilhaft in Verbindung mit optischen Elementen eingesetzt werden, die für elektromagnetische Strahlung mit sehr kleinen Wellenlängen, der üblicherweise auch so bezeichneten EUV-Strahlung eingesetzt werden können. Vorteilhafterweise sollten solche optischen Elemente eine hohe Reflektivität für diese elektromagnetische Strahlung aufweisen.
Für die Justierung entsprechender optischer Elemente werden sehr hohe Justiergenauigkeiten gefordert, die auch dauerhaft eingehalten werden müssen. So dürfen insbesondere ein Verzug oder Lageabweichungen auch beim Einsatz von entsprechend gehaltenen optischen Elementen unter den verschiedensten Einsatzbedingun- gen nicht auftreten. Dies betrifft beispielsweise auch unterschiedliche Temperaturen, bei denen sich das Wärmeausdehnungs erhalten der verschiedenen Elemente einer Halterung auf die Lage und Winkelausrichtung von optischen Elementen auswirken kann.
Außerdem sollte eine frei von mechanischen Spannungen wirkende Halterung der optischen Elemente realisiert werden, die auch durch eine mechanische Überbestimmung einer solchen Halterung hervorgerufen werden könnte. Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine Lösung zur Verfügung zu stellen, mit der optische Elemente, die für den Einsatz von elektromagnetischer Strahlung mit sehr kleinen Wellenlängen geeignet sind, mit einer dauerhaft einhaltbaren Justiergenauigkeit fixiert werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Halterung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, ge- löst. Ein Verfahren zur Herstellung solcher optischer Systeme mit erfindungsgemäßen Halterungen ist mit dem Anspruch 20 definiert.
Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Halterung für optische Elemente ist dabei so ausgebildet, dass ein optisches Element an einem Träger mit drei, bevorzugt in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander angeordneten Halteelementen befestigt ist.
Dabei können die Halteelemente mit dem jeweiligen Träger in unterschiedlichster Form kraft-, form- und/oder Stoffschlüssig verbunden sein.
Die Stoffschlüssige Verbindung der Halteelemente sollte an einer planaren, orthogonal zur optischen Achse des optischen Elementes ausgerichteten Fläche vorgesehen sein. Die Verbindung der Halteelemente mit dem optischen Element kann alternativ auch an einer äußeren Mantelfläche erfolgen.
Besonders bevorzugt ist es, die Stoffschlüssige Verbindung ohne einen organischen Binder auszubilden, da diese beispielsweise infolge Alterung ihre Eigenschaften verändern und auch das Wärmeausdehnungs erhalten solcher organischen Binder nachteilig ist. Außerdem sind ein Einsatz in einem erweiterten Tempera- turbereich und eine Vakuumkompatibilität ohne einen organischen Binder erreichbar.
Dementsprechend sollte die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Halteelementen und dem optischen Element durch ein Lötverfahren ausgebildet werden, bei dem möglichst niedrige Temperaturen für die Herstellung einer solchen Stoffschlüssigen Lötverbindung erforderlich sind. So können an sich bekannte eutektische Metalllegierungen eingesetzt werden. Besonders bevor- zugt sind entsprechende Zinnlegierungen mit Silber oder auch Gold. Bei einer geeigneten Legierungszusammensetzung können solche Lötverbindungen bereits bei Temperaturen unterhalb 300 °C auch ohne den Einsatz von Flussmitteln ausgebildet werden.
Des Weiteren sind die für die Herstellung der Verbindung zwischen dem Träger und dem optischen Element eingesetzten Halteelemente jeweils mit zwei Festkör- pergelenken versehen worden. Dabei handelt es sich um unterschiedliche Ausbildungen von Festkδrpergelenken an einem Halteelement. So ist eines der beiden Festkorpergelenke so ausgebildet, dass eine Beweglichkeit in lediglich einem Freiheitsgrad und das jeweils andere Festkörpergelenk so ausgebildet, dass auch eine Beweglichkeit in weiteren Freiheitsgraden möglich wird. Dabei sind die jeweiligen Bewegungsmöglichkeiten in unterschiedlichen Richtungen und Freiheitsgraden dazu geeignet, dass eine mechanische Überbestimmung der Befestigung vermieden werden kann. Die Festkorpergelenke an den Halteelementen können durch entsprechende geometrische Gestaltung an Bereichen von Halteelementen zwischen den eigentlichen Befestigungsflanschen am Träger und der planaren Ober- fläche des optischen Elementes in jeweils einem Abstand zueinander angeordnet sein. Es sollte ein Abstand im Bereich 5 bis 30 mm, bevorzugt im Bereich 10 bis 20 mm gewählt werden. Die Festkorpergelenke können dabei durch gezielte Formgebung, beispielsweise durch einen Werkstoffabtrag hergestellt worden sein.
So kann das Festkörpergelenk, das eine Bewegungsmöglichkeit für einen Freiheitsgrad vorgeben kann, in Form eines als am Halteelement ausgebildeten verjüng- ten Längssteges ausgebildet worden. Ein solcher
Längssteg sollte dann bevorzugt in Bezug zu einem Kreisring um die optische Achse des jeweiligen optischen Elementes tangential ausgerichtet sein.
Insbesondere bei rotationssymmetrisch ausgebildeten optischen Elementen sollen die Halteelemente mit dem optischen Element in einem Bereich des jeweiligen optischen Elementes verbunden sein, bei dem insbesondere Gravitationskraft bedingte Deformationen vermieden bzw. minimiert werden können. So können die Halteelemente mit dem optischen Element auf einem Kreisumfang befestigt sein, der im Bereich zwischen dem 0,5 - 0,7-fachen, bevorzugt zwischen dem 0,55 - 0,65-fachen des Außendurchmessers des jeweiligen optischen Ele- mentes liegt.
Die erfindungsgemäße Halterung kann ganz besonders bevorzugt bei optischen Elementen in der bereits beschriebenen Form eingesetzt werden, die eine relativ große Eigenmasse aufweisen und entsprechend groß dimensioniert sind. So können bevorzugt für die jeweilige elektromagnetische Strahlung reflektierende optische Elemente in der gewünschten Form mit hoher Präzision justiert gehalten werden.
Die reflektierenden Flächen solcher optischen Elemente können in entsprechender Form konkav bzw. auch konvex gekrümmt sein.
Es besteht aber auch die Möglichkeit ein optisches
Element erfindungsgemäß zu befestigen, das im Bereich der optischen Achse eine Durchbrechung aufweist, durch die die jeweilige elektromagnetische Strahlung auf ein zweites, ebenfalls diese elektromagnetische Strahlung reflektierendes optisches Element auftreffen kann. Mit zwei solchen reflektierenden optischen Elementen kann dann ein so genanntes Schwarzschild- Objektiv zur Verfügung gestellt werden, bei dem die elektromagnetische Strahlung durch die Durchbrechung des einen optischen Elementes auf eine konvex gekrümmte reflektierende Oberfläche des zweiten optischen Elementes (Primärspiegel) auftrifft, und von dort auf eine konkav gekrümmte reflektierende Oberfläche des ersten optischen Elementes (Sekundärspie- gel) auftrifft und von dieser als aufgeweiteter Strahl rückreflektiert wird.
Dabei unterscheiden sich diese beiden reflektierenden optischen Elemente sowohl in ihrer Gestaltung, Dimen- sionierung und der jeweiligen Eigenmasse. Dementsprechend ist das erste optische Element mit der Durchbrechung deutlich größer mit seinen äußeren Abmessungen sowie in der Eigenmasse.
Vorteilhaft ist an einem solchen optischen Element zur Reduzierung der Eigenspannungen ein über den äu- ßeren Umfang des jeweiligen optischen Elementes vollständig umlaufender Bund zwischen der planaren Fläche und der reflektierenden Oberfläche vorzusehen, der beispielsweise auch mittels einer umlaufend ausgebil- deten Ringnut ausgebildet worden sein kann.
Mit einer solchen Gestaltung können aber nicht nur die Eigenspannungen reduziert werden, sondern ein solcher Bund kann auch in Verbindung mit einem Si- cherheitselement ein unerwünschtes Herabfallen eines optischen Elementes verhindern. Dies ist insbesondere unter dem Kostenaspekt, der für die Herstellung solcher hochpräzisen optischen Elemente Bedeutung erlangt, wichtig. So kann ein entsprechendes Sicher- heitselement mit dem Träger verbunden sein und formschlüssig in den Bund eingreifen, wobei ein Spiel behafteter formschlüssiger Eingriff eines solchen Sicherheitselementes in den Bund berücksichtigt werden sollte.
An einer erfindungsgemäßen Halterung kann, wie bereits angesprochen, auch ein zweites reflektierendes optisches Element vorhanden sein. Dieses sollte vorteilhaft mit jeweils drei in gleichen Winkelabständen zueinander am zweiten optischen Element angreifenden Hebelarmen an dessen rotationssymmetrischen äußeren Mantelflächen angreifen und es halten. Das Halten dieses zweiten optischen Elementes mittels der Hebelarme sollte eine Ausrichtung in Bezug zur gemeinsamen optischen Achse der beiden optischen Elemente berücksichtigen bzw. eine entsprechende Justierung des zweiten optischen Elementes in Bezug zur vorgegebenen gemeinsamen optischen Achse mit dem ersten optischen Element ermöglichen. Hierzu sollte jeder einzelne der drei Hebelarme lateral in Bezug zu seiner eigenen Längsachse bewegt werden können.
Die Hebelarme sollten möglichst so ausgebildet sein, dass an ihnen Bereiche in Form von Zapfen ausgebildet sind, die an die äußere Mantelfläche des zweiten optischen Elementes, diese kontaktierend angreifen, und dabei in entsprechend komplementär ausgebildete Ver- tiefungen an der äußeren Mantelfläche des zweiten optischen Elementes eingreifen, so dass eine Selbstzentrierung, bei der lediglich die Selbsthemmung beim Überwinden des Einführens der Zapfen in die Vertiefungen auftritt, erreichbar ist. Die komplementär ausgebildeten Vertiefungen können in Form von Kalotten, aber auch als v-förmige Nuten ausgebildet sein.
Dabei sollte über die Hebelarme auf die äußere Mantelfläche des so gehaltenen zweiten optischen Elemen- tes eine geringe Druckkraft, die < als 5 N, bevorzugt bei < als I liegt, wirken.
In besonders bevorzugter Form können die Hebelarme mittels jeweils eines Parallelogramms an einem äuße- ren Gehäuseteil gehalten sein, wobei jeweils an einem Parallelogramm vier Festkorpergelenke vorhanden sind. Ein solches Parallelogramm mit den entsprechenden vier Festkörpergelenken kann durch eine spanende Bearbeitung, aber auch durch eine Erodierung herge- stellt worden sein. Mittels eines solchen Parallelogramms, an dem jeweils ein lineares Stellelement für die laterale Bewegung des jeweiligen Hebelarmes angreifen kann, kann die gewünschte Bewegungsmδglich- keit der einzelnen Hebelarme entlang ihrer Längsachse in hochgenauer Form, unter Vermeidung einer Verkantung bzw. Verkippung vorgenommen werden. Dabei sollte ein solcher linearer Stellantrieb am jeweiligen Parallelogramm möglichst auf der gemeinsamen Achse mit der Längsachse des jeweiligen Hebelarmes angreifen.
Da relativ kleine Verstellwege und diese aber mit hoher Präzision erforderlich sind, können bevorzugt Piezoantriebe, als geeignete lineare Stellantriebe, die an dem entsprechenden äußeren Gehäuseteil befestigt sind, eingesetzt werden.
Mit den Parallelogrammen und linearen Stellelementen kann durch eine entsprechend gezielte Beeinflussung der Bewegung der einzelnen Hebelarme durch deren tan- gentiale Bewegung in Bezug zum äußeren Umfang des op- tischen Elementes, dieses in seiner Zentrierebene, in senkrecht zur optischen Achse liegt, verschoben und so die gewünschte Ausrichtung des optischen Elementes realisiert werden.
An einer erfindungsgemäßen Halterung können aber auch weitere Gehäuseteile eingesetzt worden sein, wobei ein Gehäuseteil dann mit dem Träger, an dem die Halteelemente befestigt worden sind, verbunden worden ist. Die Gehäuseteile und Träger können lösbar mit- einander verbunden werden. So können geeignete
Schraubverbindungen eingesetzt werden, an denen jeweils komplementäre Kalotten an den entsprechenden Punkten von Gehäuseteilen und Träger ausgebildet sein sollte, so dass eine entsprechende Justierung von Ge- häuseteilen und Trägern erreicht werden kann.
Die Teile der erfindungsgemäßen Halterung sollten aus einem metallischen Werkstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten < 5 x 10~6K"1, bevorzugt im Bereich zwischen 0,5 bis 1,5 x 10"SK_:L hergestellt worden sein. Eine entsprechend geeignete Legierung ist unter der Handelsbezeichnung „Invar" erhältlich.
Die optischen Elemente, zumindest die Substrate, aus denen die optischen Elemente im Wesentlichen herge- stellt sind, sollten aus einer Glas-Kermaik mit extrem kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie sie beispielsweise unter der Handelsbezeichnung „ULE" von der Firma Corning erhältlich ist, hergestellt sein. Dabei kann nachträglich auf optisch wirksamen Ober- flächen eine die elektromagnetische Strahlung mit einem hohen Anteil reflektierende Besσhichtung, bestehend aus einer Einzelschicht oder einem geeigneten SchichtSysteme ausgebildet sein.
Mit der Erfindung kann eine beugungsbegrenzte Abbildung auch bei elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich um ca. 13 nm erreicht werden.
Mittels sphärischer reflektierender Oberflächen von optischen Elementen kann eine langwellige Abweichung von der Sphärizität < als 1 nm erreicht werden.
Justierfehler auch beim Einsatz einer erfindungsgemäßen Halterung mit optischen Systemen infolge von un- terschiedlichen Wärmeausdehnungen können genauso wei- testgehend vermieden werden, wie eine Verformung optischer Elemente infolge wirkender Kräfte und Momente sowie Eigenspannungen.
Weitere Fehlerquellen können durch ein entsprechendes
Vorgehen bei Montage und Herstellung optischer Systeme mit erfindungsgemäßen Halterungen reduziert werden, wobei dann bevorzugt so vorgegangen werden sollte, dass eine Montage von Träger und Gehäuseteilen mit bereits mindestens einem befestigten optischen Element vorgenommen wird. Im Anschluss daran wird dann eine Oberflächennachbearbeitung an mindestens einer optisch wirksamen Oberfläche des jeweiligen optischen Elementes durch Ionenätzen vorgenommen, wodurch eine weitere erhebliche Glättung der jeweiligen optisch wirksamen Oberfläche erfolgen und auch gegebenenfalls Sphärizitätsfehler ausgeglichen werden können.
Auf eine so nachbearbeitete Oberfläche kann dann die entsprechende Beschichtung in hochpräziser Form aufgebracht werden, wobei hierfür die einschlägigen Be- schichtungstechniken, bevorzugt im Vakuum, in Frage kommen.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Halterung für optische Elemente in einer Schnittdarstellung;
Figur 2 einen Träger mit daran befestigten opti- sehen Element nach Figur 1, in perspektivischer Darstellung und
Figur 3 eine perspektivische Darstellung eines Gehäuseteiles mit einer justierbaren Fixie- rung für ein weiteres optisches Element.
In Figur 1 ist ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Halterung in einer Längsschnittdarstellung gezeigt.
Dabei sind zwei ein so genanntes Schwarzschildobjektiv, als ein Beispiel für ein optisches System, bil- dende optische Elemente 1 und 4 dargestellt.
Ein erstes optisches Element 1, bei dem im Bereich der optischen Achse eine durch dieses optische Ele- ment 1 hindurchführende Durchbrechung 1.2 ausgebildet ist, ist mit jeweils in gleichen Winkelabständen zueinander angeordneten Halteelementen 3 mit einem Träger 2 verbunden.
Die vertikal nach unten weisende optisch wirksame
Oberfläche des optischen Elementes 1 ist konkav gekrümmt und für elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von 13 nm reflektierend ausgebildet . Das optische Element 1 hat einen Außendurchmesser von ca. 74 mm und wird mit den drei Halteelementen hängend am Träger 2 gehalten.
Wie besonders mit Figur 2 deutlich wird, sind an jedem der drei Halteelemente 3 zwei Festkorpergelenke 3.1 und 3.2 ausgebildet. Die Festkorpergelenke 3.1 und 3.2 sind zwischen zwei äußeren Befestigungsflanschen eines jeweiligen Halteelementes 3 angeordnet, und durch ihre Gestaltung ermöglichen sie Bewegungen in unterschiedlichen Freiheitsgraden. So sind die hier vertikal oben angeordneten Festkorpergelenke 3,1 in Form von verjüngten Längsstegen ausgebildet, die entlang ihrer Längsachse eine deutlich größere Länge in dieser Richtung aufweisen, als dies bei den hier vertikal unten angeordneten weiteren Festkörpergelen- ken 3.2 der Fall ist. Die Festkorpergelenke 3.1 verhindern dementsprechend eine Bewegung entlang ihrer eigenen Längsachse und eine Verschwenkung um eine dazu orthogonal ausgerichtete Achse.
Die vertikal unten angeordneten Festkorpergelenke 3.2 ermöglichen aber auch Bewegungen in weiteren mögli- chen Freiheitsgraden, da sie an den Halteelementen 3 in Form einer Einschnürung mit deutlich reduziertem Querschnitt und einem dahingehend ebenfalls reduzierten Flächenwiderstandsmoment ausgebildet sind.
In Figur 2 wird außerdem auch deutlich, dass die vertikal oberen Flansche der Halteelemente 3 mit dem Träger 2 bei diesem Beispiel mittels einer Schraubverbindung befestigt worden sein können.
Die sich an die vertikal unteren Festkorpergelenke 3.2 anschließenden Befestigungsflansche der Halteelemente 3 sind stoffschlüssig durch eine Lötverbindung mit einer planaren, orthogonal zur optischen Achse des optischen Elementes 1 ausgerichteten Fläche verbunden worden.
Die verjüngten Längsstege, die die eigentlichen Festkorpergelenke 3.1 bilden, sind tangential in Bezug zu einer um die optische Achse ausgebildeten Kreisbahn ausgerichtet .
Des Weiteren ist in Figur 2 ein mit dem Träger 2 verbündendes Sicherheitselement 9 dargestellt, an dessen vertikal unteren Rand eine eingestochene Ringnut ausgebildet ist, mit der ein formschlüssiger Eingriff in einen Bund 1.1, der am optischen Element 1 ausgebildet ist, erreichbar ist. Dabei sollte der Eingriff mit einem Spiel behaftet erfolgen, so dass mindestens ein solches Sicherheitselement 9 ein unerwünschtes Herabfallen eines optischen Elementes 1 verhindern kann.
Mit Figur 1 wird dann wieder deutlich, dass der Trä- ger 2, an dem mit den Halteelementen 3 das optische
Element 1 vertikal nach unten hängt, mit dem Gehäuse- teil 8 durch Schraubverbindungen befestigt werden kann.
An diesem Gehäuseteil 8 kann wiederum durch eine an- geflanschte Schraubverbindung ein weiteres äußeres Gehäuseteil 7 befestigt werden, mit dem das zweite optische Element 4 gehalten und wie nachfolgend noch weiter erläutert wird, auch justiert werden kann.
Das zweite optische Element 4, mit einem Außendurchmesser von ca. 12 mm weist eine vertikal oben angeordnete konvexe reflektierende Oberfläche auf, auf die durch die Durchbrechung 1.2 elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich des extremen UV- Lichtes auftrifft, von dort auf die konkave reflektierende Oberfläche des ersten optischen Elements 1 auftrifft und von dort vertikal nach unten reflektiert wird.
An sämtlichen Schraubverbindungsstellen zwischen Träger 2 und den Gehäuseteilen 8 und 7 sind entsprechende komplementäre Kalotten vorhanden, die andeutungsweise auch dargestellt sind, so dass bei der Montage von Träger und den Gehäuseteilen 7 und 8 eine Aus- richtung dieser Teile zueinander und dementsprechend auch im Groben zumindest eine Ausrichtung der optischen Elemente 1 und 4 und eine mechanische Entkopplung der miteinander zu verbindenden Teile durchgeführt bzw. erreicht werden können.
In Figur 3 ist ein äußeres Gehäuseteil 7, mit dem das zweite optische Element 4 gehalten und insbesondere in Bezug zur optischen Achse des optischen Elementes 1 justiert werden kann, gezeigt. Das optische Element 4 ist dabei mit jeweils drei in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander angeordneten Hebelarmen 5 gehalten, die eine geringfügige Druckkraft auf die äußere, rotationssymmetrisch aus- gebildete Mantelfläche des optischen Elementes 4, die kleiner als 1 N ist, ausüben. Im proximalen Teil der Hebelarme 5 sind zapfenfδrmige Elemente ausgebildet, die die Oberfläche des optischen Elementes 4 kontaktieren. Diese Zapfen greifen in, in Figur 3 nicht deutlich erkennbare kalottenfδrmige Vertiefungen, die auf der äußeren Mantelfläche des optischen Elementes 4, wiederum in jeweils gleichen Winkelabständen angeordnet sind.
Die drei Hebelarme 5 sind jeweils über ein Parallelogramm 6 mit dem äußeren Gehäuseteil 7 verbunden. An jedem der drei Parallelogramme 6 sind vier Festkorpergelenke ausgebildet. Auf diese Parallelogramme 6 können radial von außen jeweils ein linearer Stellan- trieb 10 wirken, von denen in Figur 3 lediglich zwei dargestellt sind. Mittels der linearen Stellantriebe 10 kann dann über die Parallelogramme 6 eine Bewegung der Hebelarme 5 entlang deren Längsachse, also auch tangential zum äußeren Umfang des optischen Elementes 4 erreicht werden. Durch eine Einzelansteuerung der jeweiligen linearen Stellantriebe 10 können unterschiedliche Wege in den einzelnen Hebelarmen 5 realisiert werden, um eine hochpräzise Ausrichtung des optischen Elementes 4 mit seiner eigenen, in Bezug zur optischen Achse des optischen Elementes 1 erreicht werden .
So können beispielsweise mit Piezo-Antrieben, als ein Beispiel für besonders geeignete lineare Stellantrie- be 10, Justierwege der einzelnen Hebelarme 5 deutlich unterhalb 1 μm realisiert werden. In nicht dargestellter Form ist es zu bevorzugen, dass die Parallelogramme 6 mit einer entsprechenden Federkraft vorgespannt sind, die gegen den linearen Stellantrieb 10, also radial nach außen wirkt.

Claims

Patentansprüche
1. Halterung für optische Elemente, bei der ein optisches Element an einem Träger mit drei Halteelementen befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, dass an den drei Halteelementen (3) jeweils zwei Festkorpergelenke (3.1) und (3.2) ausgebildet sind, wobei eines der Festkorpergelenke (3.1) eine Bewegung in einem Freiheitsgrad und das jeweils andere Festkörpergelenk (3.2) eines Halteelementes (3) eine Bewegung auch in weiteren mit dem ersten Freiheitsgrad nicht identischen Richtungen ermöglichen und die Halteelemente (3) an einer Fläche mit dem optischen Element (1) stoffschlüssig verbunden sind.
2. Halterung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkorpergelenke (3.1) der Halteelemente (3), die eine Bewegung in einem Freiheitsgrad ermöglichen, in Form eines verjüngten Längssteges an den Halteelementen (3) ausgebildet und die Längsstege tangential in Bezug zu einer Kreisbahn um die optische Achse des optischen Elementes (1) ausgerichtet sind.
3. Halterung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung mittels einer eutektischen Silber- Zinn- oder Gold-Zinn-Legierung gebildet ist.
4. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (3) in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander angeordnet sind.
5. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (3) auf einer planaren, orthogonal zur optischen Achse des optischen Elements (1) ausgerichteten Fläche mit dem optischen Element (1) stoffschlüssig verbunden sind.
6. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (3) bei einem rotationssymmetrischen optischen Element (1) an diesem auf einem Kreisum- fang am optischen Element (1) befestigt sind, der im Bereich zwischen dem 0,5- und 0,7-fachen des Außendurchmessers des jeweiligen optischen Elementes (1) liegt.
7. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (1) ein reflektierendes Element mit konkav gekrümmter Oberfläche ist.
8. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der optischen Achse des optischen Elementes (1) eine Durchbrechung (1.2) ausgebildet ist.
9. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am äußeren Umfang des optischen Elements (1) zwischen der planaren Fläche und der reflektierenden Oberfläche ein umlaufender Bund (1.1) ausgebildet ist.
10. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen den beiden Festkörpergelenken (3.1) und (3.2) eines Halteelementes (3) im Bereich zwi- sehen 5 bis 30 mm liegt.
11. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites reflektierendes optisches Element (4) mittels drei an einer rotationssymmetrischen äußeren Mantelfläche des zweiten optischen Elementes (4) in jeweils gleichen Winkelabständen zueinander angreifenden Hebelarmen (5) gehalten und in Bezug zur gemeinsamen optischen Achse der optischen Elemente (1) und (4) ausgerichtet ist.
12. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden optischen Elemente (1) , (4) ein Schwarzschildobjektiv für elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen < 30 nm bilden.
13. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelarme (5) jeweils einzeln lateral in Bezug zu ihrer Längsachse bewegbar sind.
14. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, dadurch gekennzeichnet, dass die die äußere Mantelfläche des zweiten optischen Elementes (4) kontaktierenden Bereiche der Hebelarme (5) in Form von Zapfen ausgebildet sind, die in komplementär ausgebildete Vertiefungen der äußeren Mantelfläche des zweiten optischen Elementes (4) eingreifen, wobei die Hebelarme (5) auf das zweite optische Element (4) eine Druckkraft < 5 N ausüben.
15. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelarme (5) jeweils mittels eines Parallelogramms (6) mit jeweils vier Festkörpergelenken an einem äu- ßeren Gehäuseteil (7) gehalten sind.
16. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die Parallelogramme (6) jeweils ein lineares Stellelement für die laterale Bewegung des jeweiligen Hebel- arms (5) angreift.
17. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Gehäuseteile (7, 8) und der Träger (2) lösbar miteinander verbunden sind .
18. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Gehäuseteile (7, 8) und der Träger (2) durch Schraubverbindungen, an denen jeweils komplementäre Kalotten ausgebildet sind, miteinander verbunden sind.
19. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Träger (2) mindestens ein formschlüssig in den Bund (1.1) des optischen Elementes (1) eingreifendes Sicherheitselement (9) befestigt ist.
20. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Teile der Halterung, bis auf die optischen Elemente (1) oder (4) aus einem metallischen Werkstoff mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten < 5 x 10"6K_1 gebildet sind.
21. Halterung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (1) vertikal unterhalb des Trägers (2) angeordnet und gehalten ist.
22. Verfahren zur Herstellung eines optischen Systems mit einer Halterung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Element (1) mittels der drei Halteelemente (3) stoffschlüssig mit einem Träger (2) an einer planaren Fläche (2.1) des Trägers (2) verbunden wird, anschließend eine optisch wirksame Oberfläche des optischen Elementes (1) einer Nachbearbeitung durch Ionenätzen unterzogen wird.
23. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Halteelementen (3) und dem Träger (2) durch Niedertemperaturlöten bei Temperaturen < 300 C° ausgebildet wird.
24. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionenätzen nach erfolgter Montage des optischen Elementes (1) mit Gehäuseteilen (7, 8) und dem Träger (2) durchgeführt wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an die Nachbearbeitung durch Ionenätzen auf der optisch wirksamen Oberfläche des optischen Elementes (1) eine reflektierende Beschichtung aufgebracht wird.
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