CN103968796B - 高复现性光学元件面形检测支撑装置 - Google Patents

Abstract

高复现性光学元件面形检测支撑装置，属于光学元件干涉检测技术领域。解决了现有技术中检测支撑装置和光学元件间存在接触副摩擦力，导致光学元件检测状态和最终使用状态不同的技术问题。本发明的支撑装置包括支撑盘和设置在支撑盘上的相同的支撑单元，支撑盘上设有圆形通孔和沿圆形通孔周向分布的至少三个相同的凹槽；凹槽相对的两个面上对称且平行设置有四片相同的柔性铰链；支撑单元包括球面凸台和两组相同的轴承结构；轴承结构包括轴承、销轴和销轴压板，轴承通过销轴和销轴压板固定在相对的两片柔性铰链上；球面凸台固定在光学元件的外圆周面上。本发明的支撑装置能够实现极高的面形复现性且对支撑的光学元件的受热和振动影响极小。

Description

高复现性光学元件面形检测支撑装置

技术领域

本发明涉及一种高复现性光学元件面形检测支撑装置，属于光学元件干涉检测技术领域。

背景技术

随着高精度精密光学仪器的快速发展和应用，对光学系统成像质量要求也越来越高，尤其极紫外光刻技术(EUVL)的应用，工作波长为13-14nm的波段，光学元件加工和检测技术比其他光学系统要求更高。为了保证光学系统成像质量，准确检测光学元件表面面形精度和光学系统波像差非常重要。

光学元件面形检测支撑装置主要采用光学元件最终应用的支撑结构(简称为实际支撑)作为面形检测过程的支撑结构(简称为检测支撑)，其优点是光学元件检测状态和最终使用状态相一致，检测加工后实现的面形即最终使用的面形；但由于光学元件支撑结构复杂，占用空间较大，和干涉仪结构的几何兼容性差；同时由于光学元件干涉检测和面形加工采用不同的支撑方式，导致光学元件和检测支撑结构需要反复拆装，重复性相对较差，导致最终面形很难在一个高精度范围内收敛。

专用的检测支撑装置，如球和V槽支撑结构配合支撑装置，能够实现三点光学元件的支撑效果。该结构能够在检测过程中反复拆装光学元件，但是支撑装置和光学元件间存在接触副摩擦力，导致光学元件检测状态和最终使用状态不同；现有技术中，一般采用接触副表面镀二硫化钼等润滑层材料或碳化硅等硬化层材料减小摩擦，但即使是这样，摩擦系数也只能达到0.1的量级，不能满足实现超高精度的面形收敛性的要求。

发明内容

本发明的解决的技术问题是如何提供一种在检测过程中反复拆装光学元件条件下面形重复性RMS值好于0.05nm的高复现性光学元件面形检测支撑装置。本发明的高复现性光学元件面形检测支撑装置，包括支撑盘和设置在支撑盘上的多个相同的支撑单元：所述支撑盘上设有圆形通孔和沿圆形通孔周向分布的至少三个相同的凹槽；所述凹槽相对的两个面上对称且平行设置有四片相同的柔性铰链；所述支撑单元的个数与凹槽的个数相同，每个支撑单元包括球面凸台和两组相同的轴承结构；所述轴承结构包括轴承、销轴和销轴压板，所述轴承通过销轴和销轴压板固定在相对的两片柔性铰链上；所述球面凸台固定在光学元件的外圆周面上，球面凸台放置于两个轴承之间，球面凸台与两个轴承的接触面均为球面。

进一步的，所述凹槽为三个，并且按120°沿圆形通孔周向均匀分布。

进一步的，所述凹槽的每个面上的两片柔性铰链沿圆形通孔的同一切向方向设置。

进一步的，所述轴承的中心均在同一平面上。

进一步的，所述支撑盘上设有与柔性铰链等深的缝隙，且缝隙设置在凹槽外。

本发明的有益效果：

(1)本发明的支撑装置能够实现与运动学支撑结构完全一致的支撑效果，从而代替光学元件的实际支撑结构(一般是运动学支撑结构)，在光学元件检测装置中实现光学元件的面形检测；

(2)本发明的支撑结构采用柔性铰链结合滑动摩擦的方式，采用柔性铰链使沿径向平动方向、轴向转动方向和切向转动方向自由度上的光学元件的内应力转化为了柔性铰链结构变形应力，柔性铰链在支撑条件下变形状态稳定，使得光学元件所受的反作用力的重复性高，保证在光学元件面形检测过程中，这三个方向上影响光学元件面形不确定因素变得极小，最终实现的检测过程中反复拆装光学元件条件下面形复现性高(面形重复性RMS值好于0.05nm)；

(3)本发明的支撑装置在检测过程中，两组轴承结构与球面凸台组成的点接触高副和转动副保证了径向转动方向的自由度无约束，其摩擦系数小于0.01，把这个方向上由支撑引入的元件内应力控制在5Nmm的量级范围内，进而满足实现超高精度的面形收敛性的要求。

附图说明

图1为运动学支撑状态下光学元件结构受力情况示意图；

图2为本发明的支撑装置与光学元件装配后的俯视图；

图3为本发明的支撑装置与光学元件装配后的侧视图；

图4为本发明的支撑装置的俯视图；

图5为本发明的支撑装置的侧视图。

图6为本发明的支撑装置的支撑单元的结构示意图；

图7为本发明的支撑装置的支撑盘的局部结构示意图；

图8为光学元件相对于图6的支撑单元的自由度方向示意图；

图中，1、支撑盘，11、凹槽，12、缝隙，13、圆形通孔，2、柔性铰链，3、球面凸台、4、轴承、5、销轴、6、销轴压板、7、螺钉、8、光学元件。

具体实施方式

为使本领域人员进一步理解本发明，下面结合附图1-8进一步说明本发明。

如图2-8所示，本发明的高复现性光学元件面形检测支撑装置包括支撑盘1和设置在支撑盘1上的多个相同的支撑单元，其中，支撑盘1上设有圆形通孔13和至少三个相同的凹槽11；圆形通孔13通常设置在支撑盘1的中心区域；凹槽11沿圆形通孔13周向分布，凹槽11的多少依据待支撑的光学元件8的需要决定，一般采用三个凹槽11，并且优选按120°沿圆形通孔13周向均匀分布；凹槽11相对的两个面上对称且平行设置有四片相同的柔性铰链2，且凹槽11的每个面上的两片柔性铰链2沿圆形通孔13的同一切向方向设置(如图7，即凹槽11相对的两个面的每个面上设有两片相同柔性铰链2，一面上的两片柔性铰链2与另一面上的两片柔性铰链2平行且相对于圆形通孔13的切线方向对称，且四片柔性铰链2相对于圆形通孔13的同一径向方向两两对称)，柔性铰链2为现有技术，本发明的柔性铰链2采用柔性片体结构，一般柔性铰链2为长方形片体(长边沿圆形通孔13的切向方向，宽边沿圆形通孔13中心轴线方向)，片体边缘上设置有与销轴5配合的圆弧形凹槽，片体的厚度(沿圆形通孔13径向方向)一般为0.3-1mm，在柔性铰链2加工过程中产生缝隙12，缝隙12优选与柔性铰链2等深且缝隙12设置在凹槽11外，缝隙12为柔性铰链2提供形变空间。

支撑单元的个数与凹槽11的个数相同且一一对应，每个支撑单元包括球面凸台3和两组相同的轴承结构；每组轴承结构包括轴承4、销轴5和销轴压板6，轴承4通过销轴5和销轴压板6固定在分别位于两个面上的相对且平行的两片柔性铰链2上，具体固定方式一般采用轴承4套装在销轴5外，销轴5的两端分别与相对的两片柔性铰链2接触，销轴压板6压紧销轴5并通过螺钉7固定在柔性铰链2的两端；支撑装置的所有轴承4的中心均在同一平面上；球面凸台3固定在光学元件8的外圆周面上，球面凸台3放置于同一个支撑单元的两个轴承4之间，球面凸台3与两个轴承4的接触面均为球面，其他位置形状不限。

如图1所示为运动学支撑原理示意图，一般光学元件采用三点支撑，每点限制轴向平动(Fz)和切向平动(Ft)两个自由度，这样三点组合实现系统整体六个自由度约束；理想情况下每个支撑点局部除了上述被限制的自由度外其余四个方向可以自由运动，并以此来实现对光学元件无应力支撑的要求。本发明采用柔性铰链结构结合轴承结构的运动学支撑装置来实现，每个凹槽内的四片柔性铰链2和支撑单元构成了一个支撑点，每个支撑点与光学元件的球面凸台3接触配合，提供轴向平动(Fz)和切向平动(Ft)的约束，对于含有三个120°沿圆形通孔13周向均匀分布的凹槽11的支撑装置来说，支撑装置对光学元件8提供了三个支撑点，六个自由度约束。

如图8所示，对于三个支撑点中的每个支撑点局部来说，沿光学元件径向平动方向(Fr方向)，径向转动方向(Mr方向)，切向转动方向(Mt方向)，轴向转动方向(Mz方向)四个方向为无约束方向，其中，沿径向平动方向(Fr方向)自由度、沿轴向转动方向(Mz方向)自由度和切向转动方向(Mt方向)自由度依靠柔性铰链2的自由变形实现，柔性铰链2在支撑条件下变形状态稳定，使得光学元件所受的反作用力的重复性高，在检测过程中，这三个方向上影响光学元件面形不确定因素变得极小，使得平动方向自由度引入的内应力达到0.001N的量级，转动方向自由度引入的内应力达到小于10Nmm的量级；两组轴承结构与球面凸台3组成的点接触高副和转动副保证了径向转动方向(Mr方向)自由度无约束，其摩擦系数小于0.01，使得这个方向上影响光学元件面形不确定因素极小，使得该方向自由度引入的内应力达到小于10Nmm的量级，最终依靠上述四个自由度的无应力状态，实现的检测过程中反复拆装光学元件条件下光学元件面形的复现性。

本实施方式的支撑装置可以作为高精度光学元件面形检测过程中的检测支撑使用，尤其是对径向平动或三个方向的转动方向干扰力敏感的光学元件均适用。如光刻领域中反射镜头的反射镜光学元件，折射式镜头中采用的折射透镜光学元件等，这些应用中光学元件本身均采用运动学或近似运动学支撑结构，本实施方式能实现同样的运动学支撑效果，以替代光学元件本身的支撑装置，在面形检测过程中使用。

显然，以上实施方式的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.高复现性光学元件面形检测支撑装置，其特征在于，包括支撑盘(1)和设置在支撑盘(1)上的多个相同的支撑单元：

所述支撑盘(1)上设有圆形通孔(13)和沿圆形通孔(13)周向分布的至少三个相同的凹槽(11)；

所述凹槽(11)相对的两个面上对称且平行设置有四片相同的柔性铰链(2)；

所述支撑单元的个数与凹槽(11)的个数相同，每个支撑单元包括球面凸台(3)和两组相同的轴承结构；

所述轴承结构包括轴承(4)、销轴(5)和销轴压板(6)，所述轴承(4)通过销轴(5)和销轴压板(6)固定在相对的两片柔性铰链(2)上；

所述球面凸台(3)固定在光学元件(8)的外圆周面上，球面凸台(3)放置于两个轴承(4)之间，球面凸台(3)与两个轴承(4)的接触面均为球面；

每个凹槽(11)内的四片柔性铰链(2)和支撑单元构成了一个支撑点，每个支撑点与光学元件(8)的球面凸台(3)接触配合，提供光学元件(8)轴向平动和切向平动的约束，支撑装置对光学元件(8)提供了三个支撑点，六个自由度约束；光学元件(8)沿径向平动方向自由度、沿轴向转动方向自由度和切向转动方向自由度依靠柔性铰链(2)的自由变形实现，两组轴承结构与球面凸台(3)组成的点接触高副和转动副保证了光学元件(8)径向转动方向自由度无约束。

2.根据权利要求1所述的高复现性光学元件面形检测支撑装置，其特征在于，所述凹槽(11)为三个，并且按120°沿圆形通孔(13)周向均匀分布。

3.根据权利要求1所述的高复现性光学元件面形检测支撑装置，其特征在于，所述凹槽(11)的每个面上的两片柔性铰链(2)沿圆形通孔(13)的同一切向方向设置。

4.根据权利要求1所述的高复现性光学元件面形检测支撑装置，其特征在于，所述轴承(4)的中心均在同一平面上。

5.根据权利要求1所述的高复现性光学元件面形检测支撑装置，其特征在于，所述支撑盘(1)上设有与柔性铰链(2)等深的缝隙(12)，且缝隙(12)设置在凹槽(11)外。