CN102203929B - 可进行x-y调整的光学装配件 - Google Patents

Abstract

一种光学元件装配件，该光学元件装配件具有通过多个挠曲件悬在外部部件内的内部部件。第一平移调整仪器和第二平移调整仪器设置成使内部部件在正交于光轴的平移平面内平移，其中每个平移调整仪器具有致动器和轴，该致动器可沿平行于平移平面的直线行进路径在外部部件内运动，而轴在外部部件和内部部件之间延伸，且该轴利用第一球窝接头连接于致动器并利用第二球窝接头连接于内部部件。致动器的用于第一平移调整仪器的直线行进路径基本正交于致动器的用于第二平移调整仪器的直线行进路径。

Description

可进行X-Y调整的光学装配件

相关申请的交叉引用

本申请要求由Blanding等人在2008年10月30日提交的美国专利申请12/261644的优先权，该专利申请12/261644对在2007年2月27日提交的美国专利申请12/072631进行参照并且题为“Monolithic Optical Mount”。

技术领域

本发明总地涉及部件装配件，且具体地说涉及用于光学元件的装配件，该装配件允许在正交于光轴的平面内进行可调整平移。

背景技术

光刻或微刻的设备广泛用在制造微电子半导体器件和其它微型器件中。在光刻中，光学系统引导光能，从而以高分辨率和精密对准性将图案记录在形成于硅片或其它基质上的感光层上。持续的小型化改进将越来越多的挑战需求放在用于此种功能的光学系统的性能和精度上。微刻光学系统相当大且复杂，并包含多个光学元件。层叠环状透镜组件构造较佳地用于例如在授予Bruning等人的题为“Decoupled Mount for Optical Element and Stacked Annuli Assembly”的美国专利5428482中所描述类型的光学仪器。

具有极其高质量的透镜用于微刻。通常，这些透镜(称为“分档透镜”)包括多个元件，且每个透镜元件极其精确地安装在由不锈钢制成的圆柱形“单元”中。每个这些单元制造成具有极其精密的公差。例如，啮合面是对地平坦且平行的，从而当组装好透镜时，每个后续单元螺栓连接于相邻单元的表面，而可进行微小调整或者无法进行调整。一旦已组装好所有单元，则对整个透镜进行测试，并发现任何不希望的变形或图像失真。

实际上，在首次完全组装好透镜之后，通常通过严格的测试来确定一个或多个元件须沿X或Y方向进行轻微运动，以校正所测得的光缺陷。须在不会对邻近部件的位置造成不利影响并且不会改变透镜元件沿光轴位置的条件下实施此种类型的调整。在一些情形中，此种类型的校正需将透镜组件拆开、重新调整透镜位置、重新组装并重新测试。对那些光学制造领域的技术人员已知的是，由于人为误差这会是费钱且费时的程序。

可满足进行X-Y定心调整需求的替代策略与透镜单元本身的设计有关，而内环连接于外部装配件。此种应用例如用在复杂的光学装配件中，而在授予Trunz等人的题为“Optical Imaging Device，Particularly an Objective，with at LeastOne Optical Element”的美国专利号6191898中披露此种复杂的光学装配件。此种设计类型的外部装配件对结构进行支承并安装于透镜组件中的相邻单元，而内环携带所要调整的透镜元件。然后，使用一个或多个相反的调整螺钉，以将内环驱使到正交于光轴(Z轴线)的X-Y平面内的较佳位置。

虽然使用支承在外部装配件内的内环的解决方案能减轻在需要于X-Y平面内进行调整时、对于拆开透镜组件的需求，然而实际上此种类型的应用存在缺点。此种类型的传统解决方案会在调整过程中经受摩擦力和表面打滑，这会产生不理想且无法预测的附加运动，使得为了沿一个方向改变内环位置而进行的调整会产生相对于正交方向的不利运动。会难于从一次调整到下一次调整中预测不利运动量，且该不利运动量取决于各种因素，例如：表面轮廓和抛光度以及致动螺钉或用于从动致动器和固定致动器的其它致动器轴的转动位置、从动致动器和非从动致动器与内环之间的接触角以及X-Y平面中的起始位置和结束位置。

因此，当使用传统构造的致动器来进行X-Y平面定位时，结果会较不令人满意。摩擦力和机械接口处表面尺寸的变化的不利影响会致使在调整时所产生的一些附加运动量难于预测。用于进行X-Y平面调整而提出的多个传统解决方案是相当复杂的，并且包括大量部件，从而当进行调整时增大产生不利附加运动的风险。

发明内容

本发明的目的是改进透镜安装和调整的技术。考虑该目的，本发明提供一种光学元件装配件，该光学元件装配件包括：

内部部件，该内部部件通过多个挠曲件悬在外部部件内；以及

第一平移调整仪器和第二平移调整仪器，该第一平移调整仪器和该第二平移调整仪器设置成使内部部件在正交于光轴的平移平面内平移，其中每个平移调整仪器包括：

(i)致动器，该致动器可沿平行于平移平面的直线行进路径在外部部件内运动；

(ii)轴，该轴在外部部件和内部部件之间延伸，且该轴利用第一球窝接头连接于致动器并利用第二球窝接头连接于内部部件；

其中，致动器的用于第一平移调整仪器的直线行进路径基本正交于致动器的用于第二平移调整仪器的直线行进路径。

在此披露的光学元件装配件提供可调整的X-Y平移运动。

此种光学元件装配件的一个优点是提供可控制的平移运动，比起替代的装配件应用能减小摩擦并且更能预测附加运动。

光学元件装配件的又一优点是提供减小可动部件上应力的平移运动。

附图说明

图1是相对于标准坐标轴示出理想透镜装配件的整个功能的立体图。

图2A和2B示出内部部件通过一系列挠曲件悬在外部部件内的光学元件装配件的立体图。

图3是示出具有正交设置的平移调整仪器的光学元件装配件的平面图。

图4是示出单个平移调整仪器的放大立体剖视图。

图5A、5B、5C以及5D是示出平移调整仪器操作的示意平面图，即使内部部件沿位于纸面中的平移平面运动至各个位置。

图6是平移调整仪器的示意侧视图，示出运动分量，并包括附加运动。

图7是光学元件装配件在一体式实施例中的立体图。

图8是平移调整仪器的放大剖视图，该平移调整仪器在一实施例中将成对弹簧用在加载部件。

具体实施方式

在此示出附图并对其进行描述，以说明根据各个实施例的透镜固定装置和致动机构的操作和制造的关键原理，描画这些附图并不试图示出实际尺寸或比例。一些夸大会是有必要的，以强调基本结构关系或操作原理。

在本披露的上下文中，属于“顶部”和“底部”是相对的，且并不指代表面的任何必要定向，但却简单用于指代并区分部件或材料块的相对表面。

参照图1，示出在框架12中的内部部件，即透镜支架10，而参照XYZ轴线通常用于微刻透镜仪器和其它的透镜组件。Z轴线相当于光轴O。各种实施例的光学元件装配件使用图1所示的整个构造，并提供一仪器，该仪器允许对透镜支架10沿X-Y平面、正交于光轴(Z)的相对位置调整进行测量。

已知在光学设计和精密机械领域可使用挠曲件来连接两个本体，以限定某些型式的约束，由此在两个本体之间允许某些所希望的自由度(DOF)，同时约束或抑制其它自由度。

图2A和2B的立体图示出使用根据一实施例的挠曲件的光学元件装配件20。光学元件装配件20具有通过挠曲件26的设置悬在外部部件24内的内部部件22。参照图1，内部部件22相当于透镜支架10并且可用于沿光轴O保持透镜、镜子、棱镜、薄膜、衍射光栅或其它光学元件；外部部件24相当于框架12，用于固定于其它光学元件装配件，而其它光学元件装配件位于例如微刻透镜仪器中的环圈内。挠曲件26在图2A和2B所示的实施例中具有折叠板类型。在本申请中更简称为折叠挠曲件的折叠板挠曲件沿其折叠线提供单一约束。所示的实施例使用折叠挠曲件的约束设置，该折叠挠曲件使它们的折叠定向成平行于光轴O，以刚性地约束Z轴线运动并约束绕X和Y轴线的旋转。基本周向于内部部件22和光轴O的切向挠曲件32对于Z轴线旋转提供切向约束。沿X轴线和Y轴线的两个自由度保持在内部部件22和外部部件24之间。提供第一平移调整仪器30a和第二平移调整仪器30b，且如图所示切除外部部件24的一部分，以更佳地观察平移调整仪器30a。对于安装透镜元件的实施例，在内部部件22内设有孔28。由虚线箭头示出的加载力L通常由弹簧、挠曲件或其它在图2A和2B中未示出、但随后进行描述的其它机构所提供。

图2B的立体图相对于参照轴线X-Y和光轴O示出光学元件装配件20。如图所示和随后在图3的平面图中示出，在光学元件装配件20中，平移调整仪器30a和平移调整仪器30b的致动器34在X-Y平面中分别具有直线行进路径P_a和P_b，这两个直线行进路径基本上彼此正交，也就是说通常在+/-1度内彼此正交，但偏离完全正交不超过约+/-10度。尽可能接近于完全正交是较佳的，这是由于此种构造减小在进行调整时机械串扰的可能性和影响。

图4的立体图示出平移调整仪器30的放大视图。该平移调整仪器包括诸如调整螺钉之类的致动器34，该致动器联接于在致动器34和内部部件22之间延伸的轴36。在每端处，轴36使用球窝接头48a和48b进行联接。使用此种类型联接的正交调整机构的设置提供如下平移仪器，该平移仪器具有减小摩擦和精确控制并可预测附加运动，在下文会进行详细描述。

一系列附图5A、5B、5C和5D示意地示出平移调整仪器30a和平移调整仪器30b如何协作，以可控制地使内部部件22沿X-Y平面或平移平面运动至各个位置。在附图5A-5D中示意地示出诸如弹簧、挠曲件或其它加载装置之类的加载部件46，该加载部件46结合切向挠曲件32工作。

在每个平移调整仪器30a、30b中，致动器34在球窝接头48a处联接于轴36。类似的是，轴36与内部部件22的联接也具有球窝类型并标记为48b。致动器34可以是图5A-5D的实施例中示出的调整螺钉，或者可以是其它类型的直线致动器，例如磁性或机动或压电驱动的致动器。致动器34驱动轴36的一端抵抗加载部件的加载力。加载力的使用有助于使所嵌入的轴36保持接触抵靠致动器34和内部部件22。

球窝联接48a或48b在轴36各端处的旋转有助于减小在X-Y调整过程中、机械接口处的静态摩擦或“静摩擦”的影响。在图5A中，两根轴36示作基本上彼此正交，且内部部件22基本上在外部部件24内居中。在图5A-5D中示出字母“A”(仅供参考)作为导向件，以助于示出内部部件22从一个附图到下一附图的相对运动。为了清楚起见，内部部件22在此示作实心，而不具有任何类型的孔。内部部件22通过绕点P1和P2旋转而运动，如图所示，沿挠曲件32的中心线在这两个点处与正交轴线X和Y相交。为了示出如何进行运动，在这些附图中在内部部件22和外部部件24之间示出相对较大的间隙。在图5B-5D中夸大相对运动，并且示意地示出弹簧和挠曲部件，以更清楚地描述该机构如何工作。

在图5B中，如黑箭头所示，朝内部部件22向内驱动平移调整仪器30a处的致动器34；而平移调整仪器30b处的致动器34固定。该运动通过绕点P1略微转动致使内部部件22略微向右和向下移位。相应的轴36会不再彼此正交。

在图5C中，如黑箭头所示，朝内部部件22向内驱动平移调整仪器30b处的致动器34；而平移调整仪器30a处的致动器34固定。该调整致使内部部件22略微向下运动和绕点P2旋转。

在图5D中，两个致动器34都如轮廓箭头所示向外缩回或驱动，致使内部部件22向上和向左进行更显著的运动。示出绕两个点P1和P2进行旋转以进行该类型的调整。

如图5B-5D所示，在此种构造中，每个轴36有效地作为“摇摆杆”类型，有利地为内部部件22从X-Y平面中的一个位置到下一位置提供平滑运动。作为致动器34和内部部件22之间的中间元件来使用轴36，及其具有双球窝联接的构造，使得使用传统致动方案进行调整会遇到的静态摩擦力减小。

早已注意到，一实施例的平移调整仪器的另一优点在于当进行调整时对附加运动进行预测和控制。当内部部件22从一个位置运动到下一位置时，该实施例的双球窝构造基本上能对附加运动进行量化和控制。图6的示意图示出利用平移调整仪器30所产生附加运动的有效分量。一个平移调整仪器30处的调整致使在另一个平移调整仪器30处的轴36的相对位置发生角变化θ。相对于一个正交轴线的运动具有量值(sinθ)。沿另一个正交轴线的运动具有量值(1-cosθ)。

能以多种方式来实施由加载部件46所提供的加载力，该加载力参照图5A-5D进行描述并在图6中标为L。例如重力可用作加载力，从而无需单独的弹簧元件。然而在其它的实施例中，使用诸如板簧或卷簧之类的某些类型弹簧或其它加载机构，以施加机械加载力，且该机械加载力作用在第一平移调整仪器30a和第二平移调整仪器30b上。还可使用采用挠曲件的构造，以提供加载部件46的加载力。然而，通常在内部部件22上直接施加任何类型的压力是不理想的，这是由于这会致使支承在其中的光学部件变形。因此，例如虽然图5A-5D简化示范的加载部件46的构造示意地说明了大体原理和所需加载力的方向，然而如果实际应用仍会是无法令人满意的；从加载部件46直接施加的压力会致使安装在内部部件22中的透镜产生一些变形。

作为该问题的解决方案，施加与致动器34共轴的加载力L会是最有利的；这是由于这不会将压力直接施加到内部部件22上。虽然这实际上难于实现；然而还可得到与共轴加载力的一些近似。

图7的立体图和图8的扩大剖视图示出光学元件装配件20与共轴加载类似的实施例，将弹簧用作加载部件46，而成对弹簧定位在紧邻于每个平移调整仪器30a、30b的腔室40中。在该实施例中所使用的弹簧可以是抵抗阻力施加加载力的压簧，或者可以是拉簧。例如可使用调整螺钉对弹簧张力或其它加载力进行调整。如图3的示例实施例示出，用于本实施例的切向挠曲件32位于由平移调整仪器30a和30b所形成的基本上正交角内。在图7所示的实施例中，还使用折叠挠曲件26以使内部部件22相对于外部部件24悬浮。

球窝变型

在机械领域已知各种类型的球窝联接。存在若干用于连接在轴36各个端部处的球窝连接的可能实施例。图8的实施例示出具有座落有球形元件38的大体锥形套座的轴36。这为内部部件22中的相对应套座42提供低摩擦联接。在轴36的另一端处可使用类似的联接。在其它实施例中，轴36在一端上或两端上磨圆，或者例如设有磨圆接触面或球形接触面。

一体式实施例

光学元件装配件20的各种实施例为透镜或其它光学元件提供运动学装配机构，当内部元件22、外部元件24以及挠曲件26和32通过如下方式一体地构成时，该运动学装配机构相对于传统的透镜装配件设计是有利的：通过在单块材料中形成空腔构造而减法地形成，或者通过为形成单个部件而以一定型式沉积材料的若干技术中的任何技术而加法地形成。此种单件组件提供使内部部件或透镜支架悬于外部部件或框架的挠曲件构造，例如上文参照图2A和2B所进行的描述。单件构造具有如下优点：消除例如那些由导热系数差所引起的问题并加快制造和组装。总之，单件加工的透镜装配组件会比其它类型的透镜装配件具有减小的机械应力。单个部件使得用于构成光学组件的操纵、组装和装配更简单。有利的是，一体形成的光学元件装配件具有固有对准。

使用可由计算机数控(CNC)所进行的加工技术能执行高精度且可重复的加工来提供单件构造。EDM(电火花加工)是可用于从金属和其它硬导电材料中精确制造复杂部件的CNC加工的一种特定形式。简而言之，EDM使用电火花来穿过电极和所要移除材料之间的间隙、来从导电物质的工件中选择性地侵蚀材料。介质液围绕电极在间隙区域中持续流动并将所移除的材料冲出。线式EDM是EDM的一种形式，将持续运动的线用作其电极。可适用于制造一体式部件的其它技术可包括传统加工、激光加工、各种蚀刻技术、水柱法以及通常从实心块中移除材料、形成和定形出具有限定尺寸的空腔以及对这些空腔整个轮廓和深度进行控制的加工技术。

用于一体式光学元件装配件20的材料可以是适用于应用类型和所使用制造方法的任何材料，包括不锈钢、铝或一些其它金属，或者若干类型的诸如塑形材料、陶瓷之类的聚合物中的任何一种，或者允许必要挠曲度的其它材料。为了EDM使用，需要导电材料。可例如使用低成本的加工方法首先在材料块内形成孔或开口28。

在某些材料的条件下，光学元件装配件20可以是模制部件或者可以由添加方法所形成，例如包括材料沉积法。可使用若干快速原型法中的任何一种来提供一体式结构。可用于制造光学元件装配件20的快速原型法中的一些示例包括选择激光烧结(SLS)、立体光刻以及大量以添加形式制造实心结构的其它技术。这些技术以一定型式沉积单种材料，以在外部部件24内形成内部部件22和在外部部件和内部部件之间形成折叠挠曲件26。

光学元件装配件20还可具有如下优点：在除了光刻以外的应用中提供其约束构造。当光学元件装配件的内部元件和外部元件形成为一体式结构时，可精确制造运动学装配机构，消除传统透镜装配装置所需的相当大组装量和调整量，并且还使不必要的热效应最小。

已具体参照某些较佳实施例来详细描述光学元件装配件的构造，然而应理解的是在不偏离本发明范围的条件下、可由本领域普通技术人员在如上所述且在所附权利要求中提到的本发明范围内进行变型和修改。例如，虽然光学元件装配件20尤为适用于光刻应用，然而该装配件可用在需要进行X-Y平移的若干其它应用中的任何应用中。安装在内部部件22内的光学元件在一实施例中是球形透镜，使得X-Y位置的调整有助于提供必要的透镜定心。然而，此种光学元件可以是任何合适类型的折射的、反射的、棱柱形、薄膜或其它光学部件。作为另一选择，在此主要描述为透镜支架的内部部件22可例如通过涂覆有反射涂层而用作光学元件本身。折叠挠曲件26可具有任何构造，只要它们的折线平行于光轴即可。内部部件22和外部部件24可具有任何合适的形状，且内部部件22大体为圆柱形并且绕光轴O对称。但是，并不一定需要绕该轴线对称。

应理解的是，圆柱体的数学定义不仅包括熟悉的直立圆柱体，而且包括其外表面可通过使一直线平行于固定直线运动所限定的任何其它形状，其中运动直线与固定平面闭合曲线或基部相交。虽然在图2A所示的示例性实施例中对于内部部件22和外部部件24示出圆柱体形状，然而这些部件中的任一部件或两个部件可以是非圆柱体形状。

有利的是，不同实施例的光学元件装配件提供具有良好限定且可预测的附加运动分量的平移运动。由于平行调整仪器30a和30b设置成基本上相对彼此正交，比起采用传统解决方案所遇到的情形减小内部部件上的过约束和反力，例如那些以120度的角度对彼此施加调整力的传统解决方案。由于由轴在每个平移调整仪器处所提供的双球窝联接，比起传统平移仪器的情形显著地减小摩擦。

因此，提供一种用于光学元件的装配件，该装配件允许在垂直于光轴的平面中进行平移运动。

Claims (10)

1.一种光学元件装配件，包括：

内部部件，所述内部部件通过多个折叠挠曲件悬在外部部件内，所述折叠挠曲件的折线平行于光轴；以及

第一平移调整仪器和第二平移调整仪器，所述第一平移调整仪器和所述第二平移调整仪器设置成使所述内部部件在正交于光轴的平移平面内平移，其中每个平移调整仪器包括：

（i）致动器，所述致动器可沿平行于所述平移平面的直线行进路径在所述外部部件内运动；

（ii）轴，所述轴在所述外部部件和所述内部部件之间延伸，且所述轴利用第一球窝接头连接于所述致动器并利用第二球窝接头连接于所述内部部件；

其中，所述致动器的用于所述第一平移调整仪器的直线行进路径基本正交于所述致动器的用于所述第二平移调整仪器的直线行进路径。

2.如权利要求1所述的光学元件装配件，其特征在于，所述内部部件和所述外部部件以及所述多个折叠挠曲件是一体地形成的。

3.如权利要求1所述的光学元件装配件，其特征在于，所述外部部件是基本圆柱形的。

4.如权利要求1所述的光学元件装配件，其特征在于，所述内部部件是基本圆柱形的。

5.如权利要求1所述的光学元件装配件，其特征在于，所述内部部件具有孔。

6.如权利要求1所述的光学元件装配件，其特征在于，所述内部部件对从包含有折射元件、反射元件、棱镜、衍射光栅以及薄膜的元件组中取得的光学元件进行保持。

7.如权利要求1所述的光学元件装配件，其特征在于，所述内部部件绕所述光轴对称。

8.如权利要求2所述的光学元件装配件，其特征在于，所述光学元件装配件由从包含不锈钢和铝的材料组中取得的材料所形成。

9.如权利要求1所述的光学元件装配件，其特征在于，所述光学元件装配件还包括施加加载力的加载部件，所述加载力驱使所述内部部件朝向所述外部部件。

10.如权利要求9所述的光学元件装配件，其特征在于，所述加载部件是板簧或卷簧。

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