DE10029306C2

DE10029306C2 - Anordnung zur temperaturkompensierten, mehrdimensionalen Mikropositionierung von zueinander lagedefinierten optischen Komponenten

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Publication number: DE10029306C2
Application number: DE10029306A
Authority: DE
Original assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Current assignee: Physik Instrumente PI GmbH and Co KG
Priority date: 2000-06-14
Filing date: 2000-06-14
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2020-06-15
Also published as: US6534760B2; DE50100108D1; EP1172676A2; EP1172676B1; EP1172676A3; DE10029306A1; US20020017601A1; ATE232987T1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur temperaturkompensierten, mehr dimensionalen Mikropositionierung von zueinander lagedefinierten optischen Komponenten, umfassend eine Führungseinheit zur Aufnahme der optischen Komponenten sowie mehrere Piezoaktoren gemäß Oberbegriff des Patent anspruchs 1.

Es ist bekannt, bei Fabry-Perot-Interferometern Vielfachreflexionen in einem gasförmigen Medium eines konstanten Brechungsindex zu nutzen, wobei das gasförmige Medium von zwei durchlässigen, einseitig verspiegelten und parallel zueinander ausgerichteten Platten eingeschlossen wird. Zwischen den beiden Spiegelplatten kommt es dann zu den erwähnten, auswertbaren Viel fachreflexionen. In Abhängigkeit vom Spiegelabstand findet nur für eine Wellenlänge eine konstruktive Interferenz und Transmission statt. Auf diese Weise kann man mit einer sehr kleinen Bewegung der Spiegelplatten zuein nder einen Wellenlängenbereich von wenigen Zehntel Nanometern, den sogenannten freien Spektralbereich untersuchen und so auch kleinste Ver schiebungen oder Vergrößerungen einzelner Spektrallinien bestimmen. Der Spiegelplattenabstand ist mit Piezoelementen mehr oder weniger geregelt einstellbar.

Aus Optical Engineering, Vol. 37, Nr. 7, April 1998, Seiten 1229 bis 1234, sind verschiedene piezoelektrische Aktoren für optische Anwendungen bekannt. So wird dort ein sogenannter Piezoaktor vom Stack Type vorgestellt, welcher aus einer Stapelanordnung aus hintereinander geschalteten Einzelelementen besteht. Mit solchen Stapelaktoren können relativ große Verstellwege reali siert werden. Zur zweidimensionalen Verstellung sind zylindrisch oder in Parallelogrammform angeordnete Aktoren zum Stand der Technik gehörend, wobei zum Detektieren der momentanen Position auch die Integration von bevorzugt optischen Sensoren bekannt ist, damit insbesondere bei optischen Systemen eine geregelte Piezobewegung möglich wird.

Aus der DE 41 20 497 C2 ist eine gattungsgemäße Anordnung vorbekannt, welche zum Ausrichten und Justieren von optischen Komponenten zueinander dient, wobei die Grundkonstruktion von einer Koaxialfeder ausgeht. Ein Aufnahmetisch trägt die gefaßte optische Baugruppe, deren optische Achse mit der Geräteachse in Übereinstimmung steht. Innerhalb der Koaxialfeder ist eine weitere, zylindrische Feder angeordnet, so daß mit unter einem Winkel zueinander stehenden Aktoren Wegverschiebungen sowohl in x- und y-, aber auch in z-Richtung möglich werden.

Aus D. F. Horne: "Lens Mechanism Technology", Adam Hilger, London, 1975, Seite 238-240, ist es vorbekannt, bei optischen Präzisionsinstrumenten, beispielsweise für die Einfassung und das optische Element, z. B. eine Linse, nach Möglichkeit ein solches Material auszuwählen, das Spannungskräfte bei auftretenden thermischen Belastungen möglichst vermeidet.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass die bisher vorgestellten längenveränderlichen Aktoren aus Führungseinheit und Piezoantrieb speziellen Anwendungen insbesondere mit Blick auf die notwendige Temperaturstabilität und -unab hängigkeit nicht oder nicht ausreichend genügen. Eine Verbesserung der verkippungs-, verschleiß- und spielfreien Bewegung optischer Bauteile zueinander gelingt regelmäßig nur mit nicht vertretbar hohen Aufwendungen, die zu einer wesentlichen Verteuerung herzustellender Mess- oder Untersuchungseinrichtungen führen.

Aus dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine weiter gebildete Anordnung zur temperaturkompensierten, mehrdimensionalen Mikropositionierung von zueinander lagedefinierten optischen Komponenten anzugeben, mit deren Hilfe in besonders kostengünstiger Weise ein mecha nisches Führungssystem vorgestellt werden kann, das konstruktiv einfach und damit technologisch leicht umsetzbar ist.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt mit einer Anordnung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, wobei die Unteransprüche zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen umfassen.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt demgemäß darin, die Führungseinheit der Anordnung zur temperaturkompensierten, mehrdimensionalen Positio nierung von optischen Komponenten aus zwei beabstandeten Platten oder Ringen zu realisieren, wobei zwischen den Ringen oder Platten mehrere beabstandete Fest körpergelenke angeordnet sind. Die Festkörpergelenke können in bolzenartige Verbindungsmittel der Führungseinheit integriert sein oder diese umfassen. Die Führungseinheit mit Platten, Bolzen und/oder Festkörpergelenken kann sowohl durch Fügen mehrerer Einzelkomponenten als auch monolithisch, d. h. ein stückig ausgebildet werden.

Den Festkörpergelenken bzw. Bolzen benachbart sind Piezoaktoren derart fixiert, dass auf die Ringe oder Platten Verstell- bzw. Positionierkräfte zur Einwirkung gelangen können.

Mindestens die die optischen Komponenten aufnehmenden Flächen der Ringe oder Platten, d. h. die Außenstirnflächen, sind mit einem Material entsprechend demjenigen der optischen Kompo nenten beschichtet, wobei die Beschichtung vor dem Aufsprengen der optischen Komponenten zur eindeutigen Lagedefinition in geeigneter Weise bearbeitbar ist. Erfindungsgemäß bestehen die Führungseinheit und die optischen Komponenten aus einem Material von im wesentlichen gleichen Temperaturkoeffizienten. Bevorzugt ist das Material für die Führungseinheit Invar und das Material der optischen Komponente Quarz respektive Quarz glas. Die Beschichtung wird ebenfalls aus Quarz, z. B. durch Sputtern oder Bedampfen oder dergleichen Auftragsverfahren realisiert. Die Beschichtungsschicht kann zum Erhalt der gewünschten Lage der optischen Komponenten zueinander in geeigneter Weise bearbeitet, z. B. poliert werden.

Die Innenseiten der Platten oder Ringe weisen mehrere ver teilte, leitfähige Flächen auf, welche jeweils kapazitive Sensoren zur Erfassung von Lage- und/oder Positionsänderungen der Platten bzw. der dort aufgebrachten optischen Komponenten bilden.

In einer Ausführungsform der Erfindung besitzen die Platten oder Ringe jeweils eine im wesentlichen zentrische Öffnung oder einen Durchbruch, wobei die jeweilige Rückseite oder ein integraler Fortsatz der optischen Komponente die Öffnung bedeckt oder hindurchreicht. An der Rückseite oder der Stirn fläche des jeweiligen Fortsatzes sind dann mehrere, verteilte, leitfähige Flächen angeordnet, welche mit den gegenüber liegenden Flächen jeweils kapazitive Abstandssensoren bilden, so dass in leichter Weise ein Regelkreis zum Ansteuern der Piezoaktoren realisierbar ist.

Bevorzugt umfasst die Führungseinheit umfangsseitig drei gleichverteilt beabstandete Festkörpergelenke oder solche Gelenke aufweisende Bolzen, wobei jeweils ein Piezoaktor zwischen zwei Festkörpergelenken bzw. Bolzen angeordnet ist.

Wie bereits erwähnt, kann aus den Lage- und Positionsände rungswerten der kapazitiven Sensoren ein Ableiten von Steuer- oder Regelsignalen für das Betreiben der Piezoaktoren vorge nommen werden, so dass eine gewünschte Steilposition gehalten oder eine neue Position mit Rückmeldung eingestellt werden kann.

Die Festkörpergelenke und die Piezoaktoren sind bevorzugt jeweils alternierend im 120°-Abstand zwischen den Platten oder Ringen angeordnet oder fixiert. Die kapazitiven Sensoren bzw. Sensorflächen sind ebenfalls jeweils um im wesentlichen 120° beabstandet ausgebildet, wobei zugehörige Flächen, einen Mess kondensator darstellend, jeweils gegenüberliegen.

Als Piezoaktoren sind bevorzugt einzeln ansteuerbare Piezo- Stapel-Anordnungen verwendbar.

Alle eingesetzten Materialien sind so aufeinander abgestimmt, dass bei Temperatureinwirkung auf die Aktoreinheit keine Abstandsänderung der optischen Bauteile zueinander auftritt. Die Verbindung zwischen der Führungseinheit und den optischen Bauteilen oder Komponenten kann durch eine z. B. Sputterschicht realisiert werden, wobei diese Schicht aus dem Werkstoff der optischen Bauteile selbst besteht. Die aufgebrachten Verbin dungsschichten können vor dem endgültigen Fixieren der optischen Komponenten hochpräzise parallel zueinander geschliffen werden, so dass eine definierte Ausgangslage der optischen Komponenten nach deren Befestigen an der Anordnung, z. B. durch Ansprengen, gegeben ist. Die kapazitiven Sensor felder oder Sensorflächen auf den inneren Stirnseiten der optischen Bauteile bzw. des Fortsatzes oder aber auch der Platten oder Ringe können durch Sputtern, Bedampfen oder Clusterabscheidung erzeugt werden.

Die Erfindung vereint mit der vorgestellten Anordnung eine optimale Sensorik, welche systemimmanent ist und die keinen zusätzlichen Bauraum benötigt oder die gewünschten Eigen schaften der optischen Elemente nachteilig beeinflusst, mit einer konsequenten temperaturkompensierten Ausführung. Konkret wird unter letzterem Aspekt auf bisher notwendige mehrlagige Zwischenschichten verzichtet, welche nicht nur bezüglich der Temperaturstabilität nachteilig sind, sondern darüber hinaus höhere technologische Aufwendungen nach sich ziehen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbei spiels sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert werden.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Führungseinheit umfassend zwei über Festkörperge lenke miteinander verbundene Kreisringe;

Fig. 2 eine Darstellung der Führungseinheit, jedoch mit bereits befestigten Piezoaktoren;

Fig. 3 eine Darstellung der Führungseinheit mit einer optischen Komponente, die an einem inneren Fortsatz Sensorflächen zur Bildung einer kapazitiven Abstandsmess-Sonde aufweist; und

Fig. 4 eine komplette Anordnung mit zwei jeweils an den Stirnseiten der Kreisringe befestigten optischen Komponenten und im Inneren sich gegenüberliegenden Sensorflächen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren wird von einer Anordnung mit zwei gegenüberliegenden Kreisringen 1 ausge gangen, die über Bolzen 2 zueinander beabstandet gehalten sind. Die Bolzen 2 weisen ein integriertes Festkörpergelenk 3 auf.

Konkret sind die Bolzen 2 in 120°-Abstand umfangsseitig auf den Kreisringen 1 verteilt und letztere verbindend angeordnet. Die Kreisringe 1, aber auch die Bolzen 2 können durch spanende, drahterosive oder durch Laserbearbeitung hergestellt werden. Die Einzelteile sind in an sich bekannter Technik durch Fügen verbindbar, wobei jedoch auch die Möglichkeit besteht, die komplette Führungseinheit einstückig, d. h. monolithisch zu fertigen.

Die so vorgefertigte Führungseinheit nach Fig. 1 wird dann mit Piezoaktoren 4, z. B. sogenannten Stapelaktoren nach Fig. 2 komplettiert. Die Piezoaktoren 4 werden zwischen den Bolzen 2, d. h. zu diesen alternierend und bevorzugt gleich beabstandet angeordnet. Ausdehnungsbewegungen der Piezoaktoren 4 in deren Längsachsenrichtung führen zu einer gezielten Krafteinwirkung auf die Kreisringe mit einer reproduzierbaren Lageveränderung.

Die äußeren Stirnseiten 5 der Kreisringe 1 werden mit demselben Material beschichtet, aus dem auch die aufzubringenden opti schen Komponenten bestehen. Eine solche Beschichtung kann durch Sputtern, Bedampfen oder dergleichen Verfahren erfolgen. Eine ausreichende Haftung der Beschichtung ist dadurch gegeben, dass die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der entsprechenden Materialien der Führungseinheit und der optischen Komponenten aufeinander abgestimmt werden.

Im Ausführungsbeispiel bestehen die optischen Komponenten aus Quarz und die Führungseinheit aus Invar. Die Beschichtungslage besteht ebenfalls aus Quarz. Nach erfolgtem Beschichtungs schritt werden die Stirnflächen 5 mit optischer Qualität poliert bzw. planparallel geschliffen, so dass die in den Fig. 3 und 4 gezeigten optischen Komponenten 6 z. B. durch Ansprengen befestigt werden können.

In die Öffnung 7 der Kreisringe 1 reicht gemäß den Darstel lungen nach Fig. 3 und 4 ein Fortsatz 8 der jeweiligen opti schen Komponenten hinein. An den gegenüberliegenden Flächen 9 des Fortsatzes 8 sind Metallflächen bzw. metallische oder leitfähige Felder angeordnet oder aufgebracht, die Abstands mess-Kondensatoren bilden.

Bevorzugt werden drei Felder in 120°-Anordnung ausgeführt. Nach elektrischer Kontaktierung der Flächen werden diese wie darge legt als kapazitive Sensoren genutzt, um die exakte Lage der Stirnseiten der optischen Komponenten zueinander zu bestimmen, so dass im Anschluss die Messwerte für eine Einzelansteuerung der Piezoaktoren 4 verwendbar sind, um den Stirnflächenabstand z. B. hochparallel auszurichten.

Alternativ oder zusätzlich können auch auf den Innenseiten der Kreisringe 1 kapazitive Sensoren befindlich sein, wobei allein die baulichen Abmessungen und die realisierbaren Abstände gegenüberliegender Kondensatorflächen maßgeblich sind.

Bezugszeichenliste

1

Kreisringe

2

Bolzen

3

integriertes Festkörpergelenk

4

Piezoaktor

5

äußere Stirnseite der Ringe

6

optische Komponente

7

Öffnung im Kreisring

8

Fortsatz

9

Kondensatorflächen

Claims

1. Anordnung zur temperaturkompensierten, mehrdimensionalen Mikro positionierung von zueinander lagedefinierten optischen Komponenten, umfassend eine plattenartige Führungseinheit zur Aufnahme der optischen Komponenten sowie mehrere Piezoaktoren, dadurch gekennzeichnet, dass
die Führungseinheit aus zwei beabstandeten Ringen besteht, wobei zwischen den Ringen mehrere Festkörpergelenke, umfangsseitig verteilt, angeordnet, sind,
den Festkörpergelenken benachbart einzeln ansteuerbare Piezostapelaktoren derart fixiert sind, dass durch die Stapelaktoren Verstellkräfte auf die Ringe einwirken,
mindestens die die optischen Komponenten aufnehmenden Flächen der Ringe mit demselben Material beschichtet sind, aus dem die optischen Komponenten bestehen, wobei die Beschichtung vor dem Befestigen der optischen Kom ponenten zur Schaffung einer definierten Ausgangslage bearbeitet ist und
die Führungseinheit sowie die optischen Komponenten aus einem Material mit aneinander angepaßtem Temperaturkoeffizienten bestehen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseiten der Ringe mehrere verteilte leitfähige Flächen aufweisen, welche jeweils kapazitive Sensoren zur Erfassung von Lage- und/oder Positionsänderungen bilden.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe jeweils eine zentrische Öffnung oder einen Durchbruch aufweisen, wobei die jeweilige Rückseite oder ein Fortsatz der optischen Komponente die Öffnung bedeckt oder hindurchreicht und weiterhin an der Rückseite oder der Stirnfläche des Fortsatzes mehrere verteilte leitfähige Flächen angeordnet sind, welche mit den gegenüberliegenden Flächen jeweils kapazitive Abstandssensoren bilden.

4. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungseinheit drei gleichverteilt beabstandete Festkörpergelenke aufweist, wobei jeweils ein Piezostapelaktor zwischen zwei Festkörper gelenken angeordnet ist.

5. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe und die Führungseinheit aus einem monolithischen Körper bestehen.

6. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe und die Führungseinheit aus Invar und die optischen Komponenten sowie die Beschichtung aus Quarz bestehen.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Lage- und/oder Positionsänderungswerten mittels der kapazitiven Sensoren Regel- oder Steuersignale für die Piezostapelaktoren abgeleitet werden.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Festkörpergelenke und die Piezostapelaktoren jeweils alternierend in 120°-Abstand zwischen den Ringen angeordnet oder fixiert sind.

9. Anordnung nach Anspruch 2, 3 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die kapazitiven Sensoren jeweils um 120° beabstandete Flächen aufweisen, wobei zugehörige Flächen jeweils gegenüberliegen.

10. Anordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe über bolzenartige Mittel zueinander beabstandet gehalten und die Festkörpergelenke jeweils bolzenintegriert sind.