CN103278906A - 一种柔性环片结构的透镜轴向微调装置 - Google Patents

Abstract

一种柔性环片结构的透镜轴向微调装置属于光刻投影物镜装调补偿与功能性补偿领域，目的在于解决现有技术存在的调节行程小、调节精度低和承载能力小的问题。本发明包括轴向微调组件、透镜组件、三个微位移驱动器和三个微位移传感器组件；所述透镜组件包括镜框和透镜，微位移传感器组件包括微位移传感器和传感器连接板，所述轴向微调组件包括镜筒、上柔性环片、下柔性环片和驱动环；通过微位移驱动器带动驱动环实现上下运动，实现上柔性环片和下柔性环片实现柔性变形，进而实现透镜的轴向微小调整。本发明采用柔性环片结构对透镜进行支撑和位移调节，具有较大调节行程和承载能力，三个微位移传感器同时控制，保证透镜的轴向调节精度。

Description

一种柔性环片结构的透镜轴向微调装置

技术领域

本发明属于光刻投影物镜装调补偿与功能性补偿领域，涉及一种可用于光刻投影物镜系统中的透镜轴向微调装置，具体涉及一种柔性环片结构的透镜轴向微调装置。

背景技术

在光刻投影物镜中，用于倍率、场曲、像散、畸变、球差等大部分指标补偿的轴向调整装置是光学系统光学性能补偿的主要手段，是保证光刻投影物镜具有较高分辨率的重要装置。物镜光学系统的性能要求越高，对轴向调整装置的机械性能要求越高，装置的调节精度往往需要达到0.1μm以内。同时轴向调整装置工作时，调整力引起的镜片面形误差应尽可能小，面形RMS需保持在1～2nm。传统的齿轮齿条、蜗轮蜗杆、丝杠螺母、凸轮等调节机构的调节精度最高达到微米量级，不能满足使用要求。

申请号为CN201010242492.7的中国专利公开了一项名称为“一种投影物镜系统中光学元件轴向微动调整装置”的技术方案，该轴向微动调整装置采用压电驱动器驱动楔形换向缩放单元，换向缩放单元将压电驱动器水平方向的运动转换为透镜光轴方向的位移，实现对透镜的轴向微动调整。该专利提供的轴向微动调整装置的调节精度受换向缩放单元斜面加工精度以及换向缩放单元与镜筒、导向环间接触精度的影响较大，难以在全调节行程内保持纳米级的调节精度，导致调节精度低。

申请号为CN200910055394.X的中国专利公开了一项名称为“一种可动光学元件调节定位装置”的技术方案，该装置采用挠性轴承作为杠杆机构的支点，并通过弹簧片提供预紧和回弹力。装置采用了较多的柔性和弹性组件，各组件间调节力的匹配比较困难，且受挠性组件的限制，装置的承载力有限。装置的轴向运动精度为0.5μm，运动行程可达0.2mm，其调节精度有待进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种柔性环片结构的透镜轴向微调装置，解决现有技术存在的调节行程小、调节精度低和承载能力小的问题。

为实现上述目的，本发明的一种柔性环片结构的透镜轴向微调装置包括轴向微调组件、透镜组件、三个微位移驱动器和三个微位移传感器组件；所述透镜组件包括镜框和透镜，微位移传感器组件包括微位移传感器和传感器连接板，所述轴向微调组件包括镜筒、上柔性环片、下柔性环片和驱动环；

所述透镜固定在所述镜框上，所述轴向微调组件中的上柔性环片为内边沿和外边沿厚度大、中间环带厚度小的结构，所述上柔性环片和下柔性环片结构相同，所述上柔性环片和下柔性环片的外环分别从上端和下端与镜筒固定连接，上柔性环片与下柔性环片平行且垂直于光轴方向，所述驱动环的上端及下端分别于所述上柔性环片及下柔性环片的内边沿固定连接，所述三个微位移传感器通过传感器连接板固定在镜筒内壁上；

所述透镜组件中的镜框与所述轴向微调组件中的上柔性环片固定连接；所述三个微位移驱动器固定在镜筒内壁上，所述驱动环通过所述微位移驱动器的输出轴带动实现上下运动，所述微位移传感器的被测面位于驱动环上。

所述三个微位移驱动器沿周向间隔120°均匀分布，三个微位移传感器沿周向间隔120°均匀分布，相邻的微位移驱动器与微位移传感器之间沿周向方向的夹角均为60°。

所述上柔性环片的中间环带的结构为两端薄中间厚或厚度一致。

所述微位移传感器为非接触式位移传感器，检测驱动环的轴向位移，所述微位移传感器的测量方式为单电极电容式、双电极电容式、光栅式或光纤式。

所述微位移驱动器的驱动方式为压电式、磁滞伸缩式或气动式。

本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明的轴向微调装置中的上柔性环片与下柔性环片中间环带的厚度小，环片在轴向方向上具有柔性，在上柔性环片与下柔性环片的内环施加轴向力，上柔性环片与下柔性环片将在轴向方向上产生较大的弯曲变形，带动透镜组件，可获得较大的调节行程；上柔性环片与下柔性环片同时支撑透镜组件，具备较大的承载能力；根据三个微位移传感器的反馈信号同时控制三个微位移驱动器的轴向进给量，可精确控制透镜的轴向位移量，同时补偿透镜水平方向的倾斜误差，保证透镜的轴向调节精度；微位移驱动器布置在上柔性环片与下柔性环片围成的圆环空间内，有效利用了光机结构空间，且能保护微位移驱动器不受外界损坏，同时微位移驱动器运动所产生的少量热量也不影响物镜内部的热场，不会导致物镜热像差的劣化。装置的结构紧凑，运行平稳，具有实时调整能力，能够满足光刻投影物镜光学系统装调过程中和工作过程中透镜的轴向微动调整需求。

附图说明

图1为本发明的一种柔性环片结构的透镜轴向微调装置的整体剖视图；

图2为本发明的透镜轴向微调装置的整体装配图；

图3为本发明的透镜轴向微调装置的轴向微动调节组件示意图；

图4为本发明的透镜轴向微调装置的镜框组件示意图；

图5为本发明的透镜轴向微调装置的微位移驱动器与微位移传感器分布示意图；

图6为本发明的透镜轴向微调装置的结构原理图；

图7为本发明的透镜轴向微调装置的微动原理图；

图8为本发明的透镜轴向微调装置的上柔性环片结构示意图；

图9为本发明的透镜轴向微调装置的上柔性环片另一种结构示意图；

其中：1、轴向微调组件，1-1、镜筒，1-2、上柔性环片，1-3、下柔性环片，1-4、驱动环，2、透镜组件，2-1、镜框，2-2、透镜，3、微位移驱动器，4、微位移传感器组件，4-1、微位移传感器，4-2、传感器连接板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

参见附图1和附图2，本发明的一种柔性环片结构的透镜轴向微调装置包括轴向微调组件1、透镜组件2、三个微位移驱动器3和三个微位移传感器组件4；所述透镜组件2包括镜框2-1和透镜2-2，微位移传感器组件4包括微位移传感器4-1和传感器连接板4-2，所述轴向微调组件1包括镜筒1-1、上柔性环片1-2、下柔性环片1-3和驱动环1-4；该装置是为了调整透镜2-2的轴向相对位置。镜筒1-1是整个微调装置安装的基础，镜筒1-1与上柔性环片1-2、下柔性环片1-3、驱动环1-4、镜框2-1和透镜2-2均同轴。

参见附图3，所述轴向微调组件1中的上柔性环片1-2与下柔性环片1-3的外环分别从上端和下端与镜筒1-1通过螺钉固定的方式连接，上柔性环片1-2与下柔性环片1-3的内环分别从上端和下端与驱动环1-4通过螺钉固定的方式连接；上柔性环片1-2与下柔性环片1-3平行，且垂直于光轴方向。

参见附图4，所述透镜2-2通过胶接方式固定在镜框2-1上，镜框组件2通过螺钉固定在轴向微调组件1上。

微位移驱动器3位于上柔性环片1-2与下柔性环片1-3之间，固定在镜筒1上，微位移驱动器3的输出轴与驱动环1-4接触。微位移驱动器3可采用压电式、磁滞伸缩式等驱动方式，以实现纳米量级微动。本发明较佳的选用压电驱动器来实现微位移驱动器3，其驱动行程可达3mm、精度可达20nm，满足使用需求。微位移传感器4-1位于上柔性环片1-2与下柔性环片1-3之间，通过传感器连接板4-2固定在镜筒1上，微位移传感器4-1的被测面位于驱动环1-4上。微位移传感器4-1可采用单电极电容式、双电极电容式、光栅式、光纤式等测量方式，以实现纳米量级检测。本发明较佳的选用电容传感器来实现微位移传感器4-1，其测量行程可达1mm、精度可达10nm，满足使用需求。

参见附图5，三个微位移驱动器3沿周向间隔120°均匀分布，三个微位移传感器4-1沿周向间隔120°均匀分布。相邻的微位移驱动器3与微位移传感器4-1之间沿周向方向的夹角均为60°。三个微位移传感器4-1同时检测驱动环1-4的轴向位移量，可以反馈出透镜的轴向调节量和调节时所产生的倾斜误差。根据三个微位移传感器4-1的反馈信号控制三个微位移驱动器3的轴向进给量，可精确控制透镜的轴向位移量，同时补偿透镜水平方向的倾斜误差，保证透镜的轴向调节精度达到50nm以内。

参见附图6和附图7，微位移驱动器3未输出位移时，透镜组件2的重量由上柔性环片1-2与下柔性环片1-3承担。微位移驱动器3沿轴向向下推动驱动环1-4时，只需克服上柔性环片1-2与下柔性环片1-3在轴向上的柔性，无需克服透镜组件2的重力。且微位移驱动器3沿轴向向上回退时，上柔性环片1-2与下柔性环片1-3内部蓄积的弹性势能形成的回弹力可以保证透镜组件2随着微位移驱动器3同步向上回退。

参见附图8，上柔性环片1-2的中间环带为两端薄中间相对较厚的结构，上柔性环片1-2的柔性主要集中在中间环带两端相对较薄的部位。上柔性环片1-2是透镜轴向微调装置中最关键的结构部件，环带薄部位厚度为亚毫米量级，采用高精度车床配合研磨完成加工，并达到微米级加工精度，满足使用要求。三个微位移驱动器3同时以10N的力推动驱动环时，上柔性环片1-2与下柔性环片1-3可以在轴向方向产生0.2mm的位移量。

参见附图9，上柔性环片1-2的中间环带为厚度一致的结构，上柔性环片1-2的柔性集中在整个中间环带，上柔性环片1-2同样可以采用高精度车床配合研磨完成加工。

所述上柔性环片1-2与下柔性环片1-3受力变形时所产生的应力值不应超过所用材料的屈服强度。

以上为本发明的具体实施方式，但绝非对本发明的限制，在不偏离本发明的精神和范围的情况下还可以构成许多有很大差别的实施例，任何本领域公知的显而易见的实施方式均在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种柔性环片结构的透镜轴向微调装置，包括透镜组件（2），所述透镜组件（2）包括镜框（2-1）和透镜（2-2），所述透镜（2-2）固定在所述镜框（2-1）上，其特征在于，还包括轴向微调组件（1）、微位移驱动器（3）和微位移传感器组件（4）；微位移传感器组件（4）包括微位移传感器（4-1）和传感器连接板（4-2），所述轴向微调组件（1）包括镜筒（1-1）、上柔性环片（1-2）、下柔性环片（1-3）和驱动环（1-4）；

所述轴向微调组件（1）中的上柔性环片（1-2）为内边沿和外边沿厚度大、中间环带厚度小的结构，所述上柔性环片（1-2）和下柔性环片（1-3）结构相同，所述上柔性环片（1-2）和下柔性环片（1-3）的外环分别从上端和下端与镜筒（1-1）固定连接，上柔性环片（1-2）与下柔性环片（1-3）平行且垂直于光轴方向，所述驱动环（1-4）的上端及下端分别与所述上柔性环片（1-2）及下柔性环片（1-3）的内边沿固定连接，所述三个微位移传感器（4-1）通过传感器连接板（4-2）固定在镜筒（1-1）内壁上；

所述透镜组件（2）中的镜框（2-1）与所述轴向微调组件（1）中的上柔性环片（1-2）固定连接；所述三个微位移驱动器（3）固定在镜筒（1-1）内壁上，所述驱动环（1-4）通过所述微位移驱动器（3）的输出轴带动实现上下运动，所述微位移传感器（4-1）的被测面位于驱动环（1-4）上。

2.根据权利要求1所述的一种柔性环片结构的透镜轴向微调装置，其特征在于，所述三个微位移驱动器（3）沿周向间隔120°均匀分布，三个微位移传感器（4-1）沿周向间隔120°均匀分布，相邻的微位移驱动器（3）与微位移传感器（4-1）之间沿周向方向的夹角均为60°。

3.根据权利要求1所述的一种柔性环片结构的透镜轴向微调装置，其特征在于，所述上柔性环片（1-2）的中间环带的结构为两端薄中间厚或厚度一致。

4.根据权利要求1所述的一种柔性环片结构的透镜轴向微调装置，其特征在于，所述微位移传感器（4-1）为非接触式位移传感器，检测驱动环（1-4）的轴向位移，所述微位移传感器（4-1）的测量方式为单电极电容式、双电极电容式、光栅式或光纤式。

5.根据权利要求1所述的一种柔性环片结构的透镜轴向微调装置，其特征在于，所述微位移驱动器（3）的驱动方式为压电式、磁滞伸缩式或气动式。

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