CN104360451A - 一种高精度可调光学元件的支撑装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可调高精度光学元件支撑装置，属于高精度光学元件制造与装调技术领域，该装置包括带有三点固定支撑的镜框、可调柔性辅助支撑弹片、多级位移缩小柔性铰链、螺纹调节杆、螺纹锁紧弹簧、螺钉；所述三点固定支撑用于粘接光学元件，所述可调柔性辅助支撑弹片对光学元件进行辅助支撑，所述多级位移缩小柔性铰链、螺纹调节杆以及螺纹锁紧弹簧构成高分辨率位移调节机构，对可调柔性辅助支撑弹片位置进行调整。本发明可广泛应用于折射式与反射式、平面、球面以及非球面光学元件，能有效降低高精度支撑装置对加工精度的苛刻要求，对光学元件提供精确的均匀支撑力以及非均匀支撑力，有效克服光学元件自重引起的变形的同时具有主动变形的能力。

Description

一种高精度可调光学元件的支撑装置

技术领域

本发明涉及高精度光学元件制造与装调技术领域，特别涉及一种高精度可调光学元件的支撑装置。 

背景技术

随着现代光学设计、制造的发展，对光学元件的面形精度提出了越来越高的要求，尤其是在深紫外、极紫外光刻光学领域，要求光学元件保证面形精度RMS值在纳米甚至亚纳米级别。 

常用的光学元件支撑装置由于无法有效克服光学元件自重变形，其精度难以满足高精度面形要求，因此需要设计特殊的支撑装置来克服光学元件的自重变形，同时要求光学元件精确主动变形以一定程度上补偿光学系统的波像差。目前公开可查的光学元件支撑装置如CN201110212311.0、CN201210510940.6、CN201310322942.7等，这些支撑装置均要求各个关键部件的一致性极高，即要求过于苛刻机械加工精度，大大提高了加工难度，而且不具备主动变形能力。 

发明内容

本发明为了解决高精度光学元件严格的面形要求与支撑装置极其苛刻的加工精度之间的矛盾，提供了一种可广泛应用于平面、球面以及非球面光学元件的高精度可调光学元件的支撑装置。该支撑装置折射式与反射式光学元件均能适用，能够在保证光学元件精确定位与支撑面形的同时，大大降低支撑装置的制造精度与成本，能够同时满足光学元件均匀支撑与主动变形的需求。 

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下： 

一种高精度可调光学元件的支撑装置，包括：带有三点固定支撑的镜框、均匀分布在三点固定支撑之间多个可调柔性辅助支撑弹片以及安装在镜框上的 螺纹调节杆； 

光学元件粘接在镜框的所述三点固定支撑上；多级位移缩小柔性铰链安装在镜框的安装槽内；可调柔性辅助支撑弹片安装在多级位移缩小柔性铰链的位移输出端，可调柔性辅助支撑弹片球头支撑所述光学元件；所述螺纹调节杆的球头与多级位移缩小柔性铰链的位移输入端接触； 

所述三点固定支撑在镜框120°周向均匀分布；所述可调柔性辅助支撑弹片的数量为3的正整数倍；每个可调柔性辅助支撑弹片分别与一个多级位移缩小柔性铰链连接； 

每个所述多级位移缩小柔性铰链包括一个或者串联起来的多个柔性铰链；每个柔性铰链包括：位移输入端、传动结构以及位移输出端；所述传动结构包括左右镜面对称设置的四角铰接的两个平行四边形结构，该两个平行四边形结构外侧的竖直边固定，内侧的竖直边的下端与位移输入端连接；位移输出端分别与两个平行四边形结构中的非竖直边上的一点相连。 

上述技术方案中，所述可调柔性辅助支撑弹片由“T”形薄片板簧与圆柱球头组成；板簧具有柔性，板簧根部位有安装孔，圆柱球头能够适应各种形状的光学元件表面，形成稳定可靠的接触支撑。 

上述技术方案中，所述多级位移缩小柔性铰链的位移传动比为1:1～100:1。 

上述技术方案中，所述螺纹调节杆可与螺纹锁紧弹簧配对使用，实现调整位置的精确定位。 

本发明的有益效果：本发明所述的高精度光学元件支撑结构采用三点固定支撑能够实现光学元件的快速定位；多点可调柔性辅助支撑弹片支撑方式大大降低了机械结构的加工精度要求；多级位移缩小柔性铰链大大提高调节位移传 动比，使螺纹调节杆完全能够满足可调柔性辅助支撑弹片微米级甚至亚微米级的调节分辨率要求；螺纹锁紧弹簧能够保证螺纹调节杆定位精确，最终保证光学元件支撑状态可靠；本发明采用上述支撑方式后，能够对光学元件提供精确的均匀支撑力以及非均匀支撑力，有效克服光学元件自重引起的变形的同时具有主动变形的能力。 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。 

图1是本发明一种高精度可调光学元件的支撑装置去掉光学元件后的俯视图。 

图2是本发明一种高精度可调光学元件的支撑装置的结构示意图，图2(a)～(c)分别采用3点、6点以及9点可调柔性辅助支撑弹片。 

图3是本发明一种高精度可调光学元件的支撑装置的剖视图。 

图4是二级位移缩小柔性铰链与可调柔性辅助支撑弹片的结构示意图。 

图5(a)是一个一级位移缩小柔性铰链的工作原理图；图5(b)是一个二级位移缩小柔性铰链的工作原理图。 

具体实施方式

本发明的发明思想为：一种高精度可调光学元件支撑装置，其包括：带有三点固定支撑的镜框、可调柔性辅助支撑弹片、多级位移缩小柔性铰链、螺纹调节杆、螺纹锁紧弹簧、螺钉。 

所述镜框是支撑装置的环形主体结构，具有较好刚度，一般为不锈钢或者殷钢等材料，镜框上含有周向匀布的三点固定支撑、多级位移缩小柔性铰链安装槽与安装螺纹孔以及螺纹调节杆与螺纹锁紧弹簧安装螺纹孔； 

所述三点固定支撑成120°周向均匀分布，其支撑面可以设计为与光学元件 相切的斜面或者曲率半径略微大于光学元件的球面，便于采用结构胶固定光学元件与镜框； 

所述可调柔性辅助支撑弹片的数目至少为3个，并且为3的倍数以满足在三点固定支撑之间均匀分布的要求，可调柔性辅助支撑弹片由“T”形薄片板簧与圆柱球头组成，板簧具有柔性，板簧根部位有安装孔，圆柱球头能够更好的适应各种形状的光学元件表面，形成稳定可靠的接触支撑； 

所述多级位移缩小柔性铰链将多个结构相同的柔性铰链进行串联之后显著的提高柔性铰链的位移传动比，从而保证可调柔性辅助支撑弹片的位置调整具有良好的分辨率，根据不同应用场合对调节分辨率的要求，可以合理设计多级位移缩小柔性铰链的级数； 

所述螺纹调节杆作为多级位移缩小柔性铰链的位移输入装置，其头部采用球头以更好的适应被接触面，中部采用螺纹用于位移调节，根部阶梯轴用于卡紧螺纹锁紧弹簧，根部还有内六角沉头孔，方便采用工具进行调节，根部外圆有刻度线记录调节的相对位移； 

所述螺纹锁紧弹簧是一种圆柱压缩螺旋弹簧，用于对螺纹调节杆位置进行锁紧； 

所述螺钉为标准件，可调柔性辅助支撑弹片与多级位移缩小柔性铰链单独加工，最后采用螺钉紧固。 

本发明的工作原理为： 

三点固定支撑用于精确定位，可调柔性辅助支撑弹片与三点固定支撑一起构成多点均匀支撑克服光学元件自重变形或者特定的非均匀支撑，从而保证光学元件的高精度面形。固定支撑以及辅助支撑弹片的支撑力满足力平衡以及力 矩平衡方程： 

${\mathrm{\Σ}}_{i=1}^3{F}_{1,i}+{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^N(k_{2,j}*d_{2,j})=\mathrm{mg};---\left(1\right)$

${\stackrel{\→}{F}}_{\mathrm{1,1}}\×{\stackrel{\→}{D}}_1+m\stackrel{\→}{g}\×{\stackrel{\→}{D}}_{g1}+{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^N(k_{2,j}*{\stackrel{\→}{d}}_{2,j}\×{\stackrel{\→}{d}}_j^{\mathrm{2,3}})=0;---\left(2\right)$

${\stackrel{\→}{F}}_{\mathrm{1,2}}\×{\stackrel{\→}{D}}_2+m\stackrel{\→}{g}\×{\stackrel{\→}{D}}_{g2}+{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^N(k_{2,j}*{\stackrel{\→}{d}}_{2,j}\×{\stackrel{\→}{d}}_j^{\mathrm{1,3}})=0;---\left(3\right)$

式中：F_1，i(i＝1,2,3)为第i个固定支撑的支撑力，k_2，j为第j个可调柔性辅助支撑弹片的刚度，d_2，j为第j个可调柔性辅助支撑弹片支撑点相对自然状态下的位移，为固定支撑1到固定支撑2与固定支撑3连线距离矢径，为固定支撑2到固定支撑1与固定支撑3连线距离矢径，光学元件中心到固定支撑2与固定支撑3连线距离矢径，光学元件中心到固定支撑1与固定支撑3连线距离矢径，为第j个可调柔性辅助支撑弹片支撑点到固定支撑2与固定支撑3连线距离矢径，，为第j个可调柔性辅助支撑弹片支撑点到固定支撑1与固定支撑3连线距离矢径，N为辅助支撑数目。 

在式(1)～式(3)中，某一光学元件质量m是固定的，k_2，j与第j个可调柔性辅助支撑弹片的材料、几何尺寸相关，在加工完成后为常数， 以及也均是与光学元件、支撑结构相关的确定值。逐个调整螺纹调节杆得到一组d_2，j，由式(1)～式(3)即能得到一组确定的F_1，i，当满足式(4) 时，镜组各点支撑力是均匀的。在特殊场合要求光学元件按照一定形状变形时，也可以按照需求调整螺纹调节杆得到精确计算后一组d_2，j，获得特定的的支撑力，满足光学元件的变形需求。 

F_1，i＝k_2，j*d_2，j＝mg/(3+N)；(i＝1,2,3；j＝1,2,…,N)    (4) 

从上述调节原理可以看出，各个可调柔性辅助支撑弹片的刚度以及多级位移缩小柔性铰链位的移传动比并不要求一致，即各个零部件之间没有一致性要求，这就大大降低了关键零部件对加工精度的要求。 

获取镜组均匀或者特定非均匀支撑力的过程中，可调柔性辅助支撑弹片位置调节是关键之一。本发明采用多级位移缩小柔性铰链提高螺纹调节杆与可调柔性辅助支撑弹片之间的位移传动比，采用螺纹调节杆即可实现可调柔性辅助支撑弹片位置的微米、亚微米级高分辨率调节。二级位移缩小柔性铰链的工作原理如图5(b)所示，由于第一级铰链的输出位移O₁与第二级铰链的输入位移I₂相等，因此二级柔性铰链的位移传动比满足式(5)： 

$\frac{I_1}{O_2}=\frac{I_1}{O_1}*\frac{I_2}{O_2}=\frac{A_1{C}_1}{A_1{B}_1}*\frac{A_2{C}_2}{A_2{B}_2}---\left(5\right)$

本发明中，针对可调柔性辅助支撑弹片不同的调节分辨率可以合理设计柔性铰链为一级以及多级，其位移传动比能够满足1:1～100:1的要求。 

下面结合附图对本发明做以详细说明。 

结合图1-5说明本发明的实施方式，一种可调高精度光学元件的支撑装置包括带有三点固定支撑的镜框2、可调柔性辅助支撑弹片3-1、多级位移缩小柔性铰链3-2、螺纹调节杆4、螺纹锁紧弹簧5、螺钉6-2。 

本发明利用三点固定支撑2-2与多点可调柔性辅助支撑弹片3-1对光学元件1进行多点支撑；可调柔性辅助支撑弹片3-1采用螺钉6-2紧固在多级位移缩小柔性铰链3-2的位移输出端，多级位移缩小柔性铰链3-2采用螺钉6-1紧固在镜框2上，螺纹调节杆4与螺纹锁紧弹簧5采用通过镜框2上的螺纹孔进行安装，螺纹调节杆4的球头与多级位移缩小柔性铰链3-2的位移输入端接触；三点固定支撑2-2上采用结构胶粘接光学元件1，实现镜框2与光学元件1的定位与连接。 

每个所述多级位移缩小柔性铰链3-2包括一个或者串联起来的多个柔性铰链；每个柔性铰链包括：位移输入端、传动结构以及位移输出端；所述传动结构包括左右镜面对称设置的四角铰接的两个平行四边形结构，该两个平行四边形结构外侧的竖直边固定，内侧的竖直边的下端与位移输入端连接；位移输出端分别与两个平行四边形结构中的非竖直边上的一点相连，这一非竖直边上的一点为两端点以外的一点，其位置可以螺纹调节杆4与可调柔性辅助支撑弹片3-1之间的位移传动比。 

本发明采用多级位移缩小柔性铰链3-2提高螺纹调节杆4与可调柔性辅助支撑弹片3-1之间的位移传动比，可实现可调柔性辅助支撑弹片3-1位置的微米级、亚微米高分辨率调节，从而保证支撑装置能够对光学元件1提供精确的均匀支撑以及非均匀支撑力；最后还采用螺纹锁紧弹簧5对螺纹调节杆4位置进行锁紧，确保螺纹调节杆4定位精确、可靠。 

本发明利用三点固定支撑与多点可调柔性支撑技术，能够降低机械结构的加工精度要求，并同时保证光学元件的高精度均匀支撑以及主动变形需求；本发明采用螺钉将多级位移缩小柔性铰链固定在镜框上，并采用螺钉将可调柔性辅助支撑弹片固定在多级位移缩小柔性铰链的位移输出端，多级位移缩小柔性铰链大大提高螺纹调节杆与可调柔性辅助支撑弹片之间的位移传动比，实现可 调柔性辅助支撑弹片位置的微米以及亚微米级高分辨率调节；本发明还采用螺纹锁紧弹簧对螺纹调节杆位置进行锁紧，确保螺纹调节杆定位精确、可靠。 

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。 

Claims (4)

1.一种高精度可调光学元件的支撑装置，其特征在于，包括：带有三点固定支撑(2-2)的镜框(2)、均匀分布在三点固定支撑(2-2)之间多个可调柔性辅助支撑弹片(3-1)以及安装在镜框(2)上的螺纹调节杆(4)；

光学元件(1)粘接在镜框(2)的所述三点固定支撑(2-2)上；多级位移缩小柔性铰链(3-2)安装在镜框(2)的安装槽内；可调柔性辅助支撑弹片(3-1)安装在多级位移缩小柔性铰链(3-2)的位移输出端，可调柔性辅助支撑弹片(3-1)球头支撑所述光学元件(1)；所述螺纹调节杆(4)的球头与多级位移缩小柔性铰链(3-2)的位移输入端接触；

所述三点固定支撑(2-2)在镜框(2)120°周向均匀分布；所述可调柔性辅助支撑弹片(3-1)的数量为3的正整数倍；每个可调柔性辅助支撑弹片(3-1)分别与一个多级位移缩小柔性铰链(3-2)连接；

每个所述多级位移缩小柔性铰链(3-2)包括一个或者串联起来的多个柔性铰链；每个柔性铰链包括：位移输入端、传动结构以及位移输出端；所述传动结构包括左右镜面对称设置的四角铰接的两个平行四边形结构，该两个平行四边形结构外侧的竖直边固定，内侧的竖直边的下端与位移输入端连接；位移输出端分别与两个平行四边形结构中的非竖直边上的一点相连。

2.根据权利要求1所述的支撑装置，其特征在于，所述可调柔性辅助支撑弹片(3-1)由“T”形薄片板簧与圆柱球头组成；板簧具有柔性，板簧根部位有安装孔，圆柱球头能够适应各种形状的光学元件表面，形成稳定可靠的接触支撑。

3.根据权利要求1所述的支撑装置，其特征在于，所述多级位移缩小柔性铰链(3-2)的位移传动比为1:1～100:1。

4.根据权利要求1所述的支撑装置，其特征在于，所述螺纹调节杆(4)可与螺纹锁紧弹簧(5)配对使用，实现调整位置的精确定位。