CN105259651B - 一种能够产生多种像差的变形镜装置 - Google Patents

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Abstract

一种能够产生多种像差的变形镜装置，属于光学系统的系统像差补偿领域，为解决现有专利中存在的无法仅在延伸件上加载力就能实现轴向力、切向力矩、径向力矩的同时加载，难以控制有效像差的精度和刚体位移误差的问题，该装置光学元件与可变形镜框之间通过胶粘或压紧的方式连成镜框组件，多个驱动器分别固定在可变形镜框的外环上，并将输入力作用在可变形镜框的驱动臂上；所述可变形镜框是由周向均布的多个挠性块连接镜框外环和镜框内环的一体式结构，每两个相邻挠性块中间分布有一处驱动臂；所述驱动臂与镜框内环相连，与镜框外环之间通过线切割狭缝隔离；驱动臂截面为十字梁结构形式，八个驱动器分别作用在十字梁的四个端部的上下两侧。

Description

一种能够产生多种像差的变形镜装置
技术领域
本发明涉及一种能够使光学元件产生多种像差的变形镜装置，属于光学系统的系统像差补偿领域，具体是光刻投影物镜系统中的系统像差补偿。
背景技术
投影物镜系统在常规照明、环形照明、偶极照明、四极照明等工况作用时，热载荷会引起系统的波像差劣化，导致波像差中的Z5、Z6、Z7、Z8、Z12、Z13、Z17、Z18、Z28、Z29等成分变大，因此需要对其进行补偿。
美国专利US6388823B1公布了一种Z5像散变形镜装置，包括光学元件、可变形支撑环、框架、气动波纹管驱动器，可变形支撑环外侧分布有舌状物，可变形支撑环和框架之间通过铰链进行连接。通过上下分布的共四个气动波纹管推动可变形支撑环和光学元件产生Z5像散变形。由于只采用了一圈驱动器，仅能产生局部的轴向力，无法产生局部切向力矩，因此无法实现需要轴向力和切向力矩综合作用才能产生的高阶像差成分。由于仅在舌状物的上侧或者下侧中的一侧安装有波纹管驱动器，因此只能产生某种像差的正成分或负成分，只能产生+Z5或-Z5，而不能同时产生±Z5变形。由于铰链结构为沿径向的直弹片，其径向刚度很大，驱动器作用力实现镜片变形的同时需要消耗更多的能量去实现铰链自身的变形。
美国专利US7999914B2、中国专利CN1797206A公布了一种能够产生多种像差的变形镜装置，提出了通过切向力矩、径向力矩、轴向力等力/力矩的综合来实现多种像差的构想，但是在实现方式上是将促动力作用在延伸件的径向外部位置上和径向内部位置上(图8A)，或者将促动力作用在延伸件的径向外部位置上和弹簧锚固件的径向内部位置上(图8B)，以产生弯矩(切向弯矩)的加载。对于如何在延伸件与支撑框架结合处同时实现轴向力、切向力矩、径向力矩的实现方法，如何将促动力仅作用在延伸件上就能实现轴向力、切向力矩、径向力矩的加载上述专利没有给出有效的实质性方法。另外在可变形透镜的支撑方式上，上述专利给出了使用在外径向部分间隔120°的3个切向和轴向片簧来实现6个自由度完全约束的形式(图6A)，或者采用更多数量的较软机械弹簧来支撑的形式(图6B)图6A的3个径向挠性支撑结构，前者由于采用了三处支撑在产生有效像差的同时会引入比较大的初级三叶像差变形，导致系统像差中存在较大的三叶像差成分。而后者采用径向较软机械弹簧支撑方式会增大光学元件绕着RX、RY的敏感度，产生有效像差的同时导致倾斜刚体位移误差RX、RY较大。
发明内容
本发明为了解决现有专利中存在的无法仅在延伸件上加载力就能实现轴向力、切向力矩、径向力矩的同时加载，难以控制有效像差的精度和刚体位移误差的问题，提出了一种新型的能够产生多种像差的变形镜装置。
一种能够产生多种像差的变形镜装置，包括光学元件、可变形镜框和驱动器；光学元件与可变形镜框之间通过胶粘或压紧的方式连成镜框组件，多个驱动器分别固定在可变形镜框的外环上，并将输入力作用在可变形镜框的驱动臂上；
所述可变形镜框是由周向均布的多个挠性块连接镜框外环和镜框内环的一体式结构，每两个相邻挠性块中间分布有一处驱动臂；
所述驱动臂与镜框内环相连，与镜框外环之间通过线切割狭缝隔离；
驱动臂截面为十字梁结构形式，八个驱动器分别作用在十字梁的四个端部的上下两侧。
所述挠性块根据所要产生像差的具体成分设计成L形、T形、I形等形式。
本发明的有益效果是：由于采用了十字梁结构形式的驱动臂，通过在十字梁四个端部上加载输入力可以非常方便地在驱动臂与镜框外环接触处实现轴向力、切向力矩和径向力矩的同时加载，进而实现各种像差变形。同时本发明中根据所要产生的像差成分可以选择L形、T形、I形等形式的挠性块，能够有效提高像差的精度、降低引入的刚体位移误差。
附图说明
图1为本发明能够产生多种像差的变形镜装置示意图。
图2为本发明能够产生多种像差的变形镜装置俯视图。
图3为图2中的局部放大图。
图4为图2中的局部剖视图。
图5为本发明能够产生多种像差的变形镜装置全剖视图。
图6为图5中的局部放大图。
图7为本发明所述的可变形镜框示意图。
图8为图7的局部放大图(含L形挠性块)。
图9为产生Z12时一体化光学元件1和可变形镜框2的仿真示意图。
图10为产生Z12时的光学元件1上表面面形图。
图11为本发明所述的可变形镜框局部放大图(含T形挠性块)。
图12为本发明所述的可变形镜框局部放大图(含I形挠性块)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
一种能够产生多种像差的变形镜装置，如图1～6所示，该变形镜装置包括，光学元件1、可变形镜框2和驱动器3。光学元件1与可变形镜框2之间通过胶粘或压紧的方式连成镜框组件。多个驱动器3分别固定在可变形镜框的外环上，并将输入力作用在可变形镜框2的驱动臂2-4上。
如图7所示，可变形镜框2是由周向均布的多个挠性块2-3连接镜框外环2-2和镜框内环2-1的一体式结构，相邻两个挠性块2-3之间分布有驱动臂2-4。
驱动臂2-4与镜框内环2-1相连，与镜框外环2-2之间通过线切割狭缝隔离。驱动臂2-4截面为十字梁结构形式。所述驱动器3沿光学元件1的光轴方向放置，驱动器3的输入力垂直作用在驱动臂2-4上，各输入力的共同作用下能够实现轴向力、切向力矩和轴向力矩加载。作为能够产生上述力/力矩加载的一种情况，可以在每个驱动臂2-4上下表面各安装四个驱动器3，如图2至图6所示。驱动器3a、驱动器3b、驱动器3c和驱动器3d为驱动臂2-4上表面的驱动器，其中驱动器3a为外部驱动器，作用在十字梁驱动臂2-4上表面的外侧。驱动器3b为内部驱动器，作用在十字梁驱动臂2-4上表面的内侧。驱动器3c和驱动器3d为中间驱动器，作用在十字梁驱动臂2-4上表面的左右两侧。驱动器3a＇、驱动器3b＇、驱动器3c＇和驱动器3d＇为驱动臂2-4下表面的驱动器，其中驱动器3a＇为外部驱动器，作用在十字梁驱动臂2-4下表面的外侧。驱动器3b＇为内部驱动器，作用在十字梁驱动臂2-4下表面的内侧。驱动器3c＇和驱动器3d＇为中间驱动器，作用在十字梁驱动臂2-4下表面的左右两侧。驱动臂2-4上下表面的四个驱动器3分别正对放置，即驱动器3a与驱动器3a＇正对放置，驱动器3b与驱动器3b＇正对放置，驱动器3c与驱动器3c＇正对放置，驱动器3d与驱动器3d＇正对放置。驱动臂2-4上下表面的驱动器3a、驱动器3b、驱动器3a＇和驱动器3b＇共同作用是实现轴向力和局部切向力矩的加载。驱动臂2-4上下表面的中间驱动器3c、驱动器3d、驱动器3c＇和驱动器3d＇的共同作用是实现径向力矩(或者轴向力和径向力矩)的加载。因此在驱动器3a、驱动器3b、驱动器3c、驱动器3d和驱动器3a＇、驱动器3b＇、驱动器3c＇、驱动器3d＇的共同作用下，每个驱动臂2-4上都能够实现轴向力、切向力矩和轴向力矩的加载。当光学元件1需要产生某种特定像差或者多种像差组合时，根据理论推导得到的Zernike系数与各驱动器2-4处轴向力、切向力矩和轴向力矩的函数关系，可以得到各个驱动臂2-4上下表面驱动器3的作用力。
在光学元件1为铝反射镜时，为了避免在光学元件1和可变形镜框2的结合面处产生破坏，提高装置的可靠性，可以将光学元件1和可变形镜框2设计成一体化的形式。
如图8所示，当需要产生不含有绕RX、RY像差和含有绕RX、RY像差的组合像差时，为了能够同时兼顾两者，可以将作为边界条件的挠性块2-3设计成倾斜刚度适中的L形结构形式。
如图11所示，当所需的像差成分中含有绕RX、RY的成分时，为了保证输入力能够产生出RX、RY，可以将作为边界条件的挠性块2-3设计成倾斜刚度较小的T形结构形式。
如图12所示，当所需的像差成分中不含有绕RX、RY的成分时，为了避免输入力引入较大的RX、RY的误差，可以将作为边界条件的挠性块2-3设计成倾斜刚度较大的I形结构形式。
本发明具体实施时，首先根据理论推导得到Zernike各项系数与各个驱动器3输入力之间的矩阵关系，然后通过实验对传递矩阵进行标定修正。为了进一步提高精度，可以在各个驱动器3的输入端安装力传感器实现Zernike各项系数与输入力的闭环。Zernike各项系数与各个驱动器3输入力之间的矩阵关系理论推导基本过程如下所述。
根据薄板的弹性曲面微分方程
其中，z为挠度，q是薄镜每单位面积内的载荷，(r，θ)为镜面上某一点的极坐标，为拉普拉斯算子。
D为薄镜的弯曲刚度
其中，E是杨氏模量，v是泊松比。
当镜面要产生某一像差时，可令
然后结合边界条件，得到用z(r，θ)表示的轴向力Vr/切向力矩Mr/径向力矩Mt的关系式为
于是得到驱动臂上四个端部输入作用力的一组关系式为
Fa+Fb＝l2∫Vr(r,θ)dθ
(l1-l2)Fa+(l3-l2)Fb＝l2∫Mr(r,θ)dθ
l4Fc+l4Fd＝∫Mt(r,θ)dr
Fc＝-Fd
其中，l1为驱动器3b距离光学元件轴线的距离，l2为驱动臂中心点距离光学元件轴线的距离，l3为驱动器3a距离光学元件轴线的距离，l4为驱动器3c和驱动器3d距离的一半。
根据得到的驱动臂四个端部作用力Fa、Fb、Fc、Fd，结合驱动器3只能提供推力不能提供拉力的实际情况，以及驱动臂每个端部的上下表面只有一个驱动器施加作用力的最简单情况，可以得到各个驱动器的输入力。
图9和图10为产生Z12变形的举例说明，根据上述理论推导，根据Zernike各项系数与驱动器3输入力之间的矩阵关系，已知所需的Zernike各项系数，得到各个驱动器3的输入力数值，并将其带入到仿真软件中进行了验证。图9所示为产生Z12时一体化光学元件1和可变形镜框2的变形仿真示意图。图10为此时光学元件1上表面的面形图。

Claims (2)

1.一种能够产生多种像差的变形镜装置，包括光学元件(1)、可变形镜框(2)和驱动器(3)，光学元件(1)与可变形镜框(2)之间通过胶粘或压紧的方式连成镜框组件，多个驱动器(3)分别固定在可变形镜框(2)的外环(2-2)上，并将输入力作用在可变形镜框(2)的驱动臂(2-4)上；其特征是，
所述可变形镜框(2)是由周向均布的多个挠性块(2-3)连接镜框外环(2-2)和镜框内环(2-1)的一体式结构，每两个相邻挠性块(2-3)中间分布有一处驱动臂(2-4)；
所述驱动臂(2-4)与镜框内环(2-1)相连，与镜框外环(2-2)之间通过线切割狭缝进行隔离；
驱动臂(2-4)的截面为十字梁结构形式，八个驱动器(3)分别作用在十字梁的四个端部的上下两侧；
所述驱动器(3)沿光学元件(1)的光轴方向放置，驱动器3的输入力垂直作用在驱动臂(2-4)上。
2.根据权利要求1所述的一种能够产生多种像差的变形镜装置，其特征在于，所述挠性块(2-3)根据所要产生像差的具体成分设计成L形、T形或I形形式。
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