CN109116682A - 一种用于调整光学元件位姿的装置及调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光学元件位姿调整的装置，包括：支撑镜框，用于支撑光学元件；外镜筒；环带，所述环带的内侧边缘与所述支撑镜框的外侧边缘相连，所述环带的外侧边缘与所述外镜筒的内侧边缘相连；微位移传感器，所述微位移传感器设置在所述外镜筒的内侧壁上；微位移驱动器，所述微位移驱动器设置在所述外镜筒的内侧壁上。本发明还提供了一种调整光学元件位姿的方法。环带结构的光学元件位姿调节装置在保证光学元件纳米级调节精度的同时，装置的制造容易。

Description

一种用于调整光学元件位姿的装置及调整方法

技术领域

本发明涉及光刻物镜结构设计与装调的技术领域，尤其涉及一种用于光学元件位姿调整的装置及其调整方法。

背景技术

超精密光学系统需要超精密的光学元件位姿调节装置，以调整光学系统的功能或改善光学系统的性能。在光刻投影物镜中，光学元件位姿调节装置可用于调节物镜光学系统的倍率，补偿物镜光学系统的像质。本专利涉及一种光学元件位姿调节装置包括支撑镜框、环带、外镜筒、环带压板、三个微位移传感器及其连接座和三个微位移驱动器及其连接座，用于光学元件的轴向、倾斜位姿的精密微动调节。

CN201310124849.3公开了一种柔性环片结构的透镜轴向微调装置，该装置通过柔性环片结构对透镜进行支撑与位姿微调。装置所采用的柔性环片结构厚度尺寸小，加工难度大，制造公差难以保证，需采用价格昂贵的高精度车床才能完成加工。

CN201410821887.0公开了一种桥式柔性铰链结构的光学元件轴向微动调整装置，该装置通过桥式柔性铰链结构连接镜框与镜筒，实现了结构一体化。装置中的桥式柔性铰链结构复杂，需采用电火花线切割加工，对电火花线切割加工的工艺要求高，加工量大。

CN201310442669.1公开了透镜X、Y、θZ三自由度微动调整装置，该装置包括透镜、镜框和三个驱动器，所述镜片与镜框之间通过胶粘的方式连接，所述三个驱动器固定在镜框上，所述镜框为镜框内环、镜框外环和三处周向均布的折叠铰链组成的一体化结构，所述镜框内环上周向均布有三处驱动器施力块，所述透镜与镜框内环之间通过胶粘的方式连接；所述三个驱动器固定在镜框外环上，驱动器的输入位移作用在对应的驱动器施力块上；所述折叠铰链由切向弹片和径向弹片组成，所述切向弹片与镜框内环相连，所述径向弹片与镜框外环相连。该调整装置主要适用于光学元件平面内的X、Y、Rz调整，无法适用于光学元件平面外的Z、Rx、Ry调整。且该调整装置对电火花线切割加工的工艺要求高，加工量大。

CN201210312612.5公开了一种光刻投影物镜中光学元件X-Y微动调整装置，该装置包括镜框、两个驱动器和两个电容传感器，所述两个驱动器和两个电容传感器分别固定在镜框上，驱动器安装在镜框外环外侧，驱动器的输入位移作用在第一折叠弹片和第二折叠弹片上，输入位移方向分别垂直于第一折叠弹片外侧弹片和第二折叠弹片外侧弹片，两个电容传感器均为单电极电容传感器，均固定在镜框外环的内侧，并且两个电容传感器间的周向间隔为90°。该调整装置主要用于光学元件平面内的X、Y调整，无法适用于光学元件平面外的Z、Rx、Ry调整，且该调整装置对电火花线切割加工的工艺要求高，加工量大。

CN201410311666.9公开了一种光学元件平面柔性微动调整装置，包括镜框、三个驱动器、三个位移传感器和三个预紧弹片；镜框为镜框外环、镜框内环、三个折叠弹片和多个辅助支撑L型弹片组成的一体式结构，镜框外环和镜框内环之间通过三个折叠弹片和多个辅助支撑L型弹片进行连接，三个折叠弹片沿圆周均布在镜框上；三个预紧弹片一侧固定在镜框外环上，另一侧分别作用在三个折叠弹片上；三个驱动器安装在镜框外环上，三个驱动器的输入位移分别作用在三个折叠弹片上；三个位移传感器沿圆周均布在镜框外环上。该调整装置主要用于光学元件平面内的X、Y调整，无法适用于光学元件平面外的Z、Rx、Ry调整，且该调整装置对电火花线切割加工的工艺要求高，加工量大。

发明内容

为了解决现有技术存在的光学元件位姿调节装置在保证光学元件纳米级调节精度的同时，装置的制造难度大的问题，本发明提出了一种采用环带结构的光学元件位姿调节装置。

一方面，本发明提供了一种用于光学元件位姿调整的装置，包括：支撑镜框，用于支撑光学元件；外镜筒；环带，所述环带的内侧边缘与所述支撑镜框的外侧边缘相连，所述环带的外侧边缘与所述外镜筒的内侧边缘相连；微位移传感器，所述微位移传感器设置在所述外镜筒的内侧壁上；微位移驱动器，所述微位移驱动器设置在所述外镜筒的内侧壁上。

在一些实施例中，本发明所述的用于光学元件位姿调整的装置还包括微位移传感器连接座，所述微位移传感器连接座设置在所述外镜筒的内侧壁上，用于安装所述微位移传感器；和微位移驱动器连接座，所述微位移驱动器连接座设置在所述外镜筒的内侧壁上，用于安装所述微位移驱动器。

在一些实施例中，本发明所述的用于光学元件位姿调整的装置还包括：三个或三个以上微位移传感器，三个或三个以上微位移驱动器，在圆周方向上，每个微位移传感器布置在所述微位移驱动器的中间。

在一些实施例中，所述支撑镜框通过其外侧边缘周向分布的支撑镜框支臂连接在所述环带上，所述环带夹紧在所述支撑镜框支臂与所述环带压板之间；所述外镜筒通过其内侧边缘周向分布的外镜筒支臂与所述环带相连，所述环带夹紧在所述支撑镜框支臂与所述环带压板之间；所述环带压板通过固定件安装到所述支撑镜框支臂和所述外镜筒支臂上。进一步优选地，所述环带压板通过螺钉安装到支撑镜框支臂、外镜筒支臂上，每个支撑镜框支臂、外镜筒支臂上安装有一个环带压板。

在一些实施例中，所述用于光学元件位姿调整的装置还包括环带压板，所述环带压板用于将所述环带固定在所述外镜筒上，并用于将支撑镜框安装到所述环带上，优选地，所述支撑镜框为从上往下安装到所述环带上。

在一些实施例中，所述支撑镜框支臂和所述外镜筒支臂的数量分别为三个或三个以上，在圆周方向上，所述外镜筒支臂与所述支撑镜框支臂互相交错均布。

在一些实施例中，所述环带的内侧边缘与其外侧边缘同心；所述环带的整体厚度均匀一致。

在一些实施例中，所述微位移传感器位于所述外镜筒支臂的正下方，与所述支撑镜框的下端面对应；所述微位移驱动器位于所述支撑镜框支臂的正下方，作用在所述支撑镜框的下端面上。

在一些实施例中，所述微位移传感器采用电容式、涡流式、光栅式或光纤式测量方式。

在一些实施例中，所述微位移驱动器采用压电式、气动式、音圈式或磁滞伸缩式驱动方式。

另一方面，本发明还提供了一种调整光学元件位姿的方法，其为利用本发明所提供的用于调整光学元件位姿的装置来调整光学元件位姿。

本发明的有益效果：环带结构的光学元件位姿调节装置在保证光学元件纳米级调节精度的同时，装置的制造容易。具备纳米级调节精度的装置主要依靠柔性结构产生形变，柔性结构是装置中的关键构件，其加工精度一般要求较高，加工难度较大。本装置中的柔性结构为环带，可利用现有板材，通过简单的线切割，从整块板材上切割加工即可完成，线切割加工量少、工艺简单。环带结构的加工厚度公差及平面度公差通过板材本身即可保证，无需额外的加工。装置中的其他构件采用常规的制造工艺及设备亦可完成加工。

附图说明

图1为本发明的一实施例中的用于调整光学元件位姿的装置的主视图；

图2为本发明的一实施例中的用于调整光学元件位姿的装置的俯视图；

图3为本发明的一实施例中的用于调整光学元件位姿的装置的半剖视图；

图4为本发明的一实施例中的用于调整光学元件位姿的装置的整体装配图。

图中，1、光学元件，2、支撑镜框，3、环带，4、外镜筒，5、环带压板，6、微位移传感器，7、微位移传感器连接座，8、微位移驱动器，9、微位移驱动器连接座，10、支撑镜框支臂10，11、外镜筒支臂。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

如图1-3所示，本发明公开了一种光学元件位姿调整的装置100，包括支撑镜框2，用于支撑光学元件1；外镜筒4；环带3，所述环带3的内侧边缘与所述支撑镜框2的外侧边缘相连，所述环带3的外侧边缘与所述外镜筒4的内侧边缘相连；微位移传感器6，所述微位移传感器6设置在所述外镜筒4的内侧壁上；微位移驱动器8，所述微位移驱动器8设置在所述外镜筒4的内侧壁上。在微位移驱动器8的作用下，环带发生柔性变形，带动交错连接在环带上的支撑镜框与外镜筒发生相对位置变化，进而带动连接在支撑镜框上的光学元件相对于外镜筒产生位姿变化。

在具体的实施例中，如图2实施例所示，所述用于光学元件位姿调整的装置100还包括微位移传感器连接座7，所述微位移传感器连接座7设置在所述外镜筒4的内侧壁上，用于安装所述微位移传感器6；和微位移驱动器连接座9，所述微位移驱动器连接座9设置在所述外镜筒4的内侧壁上，用于安装所述微位移驱动器8。所述微位移传感器6通过微位移传感器连接座7均匀分布连接在外镜筒4内侧壁上。每个微位移传感器6位于外镜筒支臂的正下方，与支撑镜框2的下端面对应。微位移传感器6检测支撑镜框2相对于外镜筒4的位置变化量，可采用电容式、涡流式、光栅式或光纤式等测量方式，以实现纳米量级检测。根据三个微位移传感器6的反馈信号控制三个微位移驱动器8的进给量，可精确控制光学元件的轴向、倾斜位姿，保证光学元件的调节精度达到纳米量级。

如图1-2所示，在具体的实施例中，本发明所述的用于光学元件位姿调整的装置100还包括：三个或三个以上微位移传感器6，三个或三个以上微位移驱动器8，在圆周方向上，每个微位移传感器6布置在所述微位移驱动器8的中间。当三个微位移驱动器8同时输出大小相同、方向相同的位移时，光学元件1相对于外镜筒4产生轴向位置变化。当位于x轴正方向的微位移驱动器8不动，位于第二象限与第三象限的两个微位移驱动器同时输出大小相同、方向相反的位移时，光学元件1相对于外镜筒4产生绕x轴的倾斜姿态变化。当位于第二象限与第三象限的两个微位移驱动器同时输出大小相同、方向相同的位移，而位于x轴正方向的微位移驱动器8同时输出与位于第二象限与第三象限的两个微位移驱动器8输出位移大小的两倍、方向相反的位移时，光学元件相对于外镜筒4产生绕y轴的倾斜姿态变化。

在具体的实施例中，所述用于光学元件位姿调整的装置100还包括环带压板5，所述环带压板5用于将所述环带3固定在所述外镜筒4上，并用于将支撑镜框2安装到所述环带3上，优选地，所述支撑镜框2为从上往下安装到所述环带3上。所述支撑镜框2通过其外侧边缘周向分布的支撑镜框支臂10连接在所述环带3上，所述环带3夹紧在所述支撑镜框支臂10与所述环带压板5之间；所述外镜筒4通过其内侧边缘周向分布的外镜筒支臂11与所述环带3相连，所述环带3夹紧在所述支撑镜框支臂10与所述环带压板5之间；所述环带压板5通过固定件安装到所述支撑镜框支臂10和所述外镜筒支臂11上。进一步优选地，所述环带压板5通过螺钉安装到支撑镜框支臂10、外镜筒支臂上11，每个支撑镜框支臂10、外镜筒支臂上11安装有一个环带压板5。进一步优选地，所述支撑镜框支臂10和所述外镜筒支臂11的数量分别为三个或三个以上，在圆周方向上，所述外镜筒支臂11与所述支撑镜框支臂10互相交错均布。所述环带3可利用常用的薄钢板，通过简单的线切割，从整块板材上切割完成，线切割加工量少、工艺简单；也可采用激光切割技术或水射流加工技术，从整块板材上切割出环带结构。环带结构的加工厚度公差及平面度公差通过板材本身即可保证，无需额外的加工。在环带3与支撑镜框支臂10及外镜筒支臂11连接的部位加工定位孔，可采用定位销串接环带压板5、环带3、支撑镜框支臂10或外镜筒支臂11，可精确确定环带3与支撑镜框2及外镜筒4的相互位置关系

如图1-4所示，在具体的实施例中，所述环带3的内侧边缘与其外侧边缘同心；所述环带3的整体厚度均匀一致。所述微位移传感器6位于所述外镜筒支臂11的正下方，与所述支撑镜框2的下端面对应；所述微位移驱动器8位于所述支撑镜框支臂10的正下方，作用在所述支撑镜框2的下端面上。

在具体的实施例中，所述微位移传感器6可采用电容式、涡流式、光栅式或光纤式测量方式。

在具体的实施例中，所述微位移驱动器8可采用压电式、气动式、音圈式或磁滞伸缩式驱动方式。

如图4所示，本发明所述的环带结构的用于调整光学元件位姿的装置在装配时，首先将环带3连接到外镜筒4上，采用定位销确定环带3在外镜筒4上的位置，采用环带压板5将环带3固定在外镜筒4上；将支撑镜框2从下往上安装到环带3上，同样采用定位销确定支撑镜框2与环带3的相互位置，环带压板5固定支撑镜框2与环带3；然后安装三个微位移传感器6与三个微位移传感器连接座7；将微位移传感器6安装到微位移传感器连接座7后，将微位移传感器连接座7连接到外镜筒4上，将微位移传感器6通电，查询初始读数；再安装三个微位移驱动器8与三个微位移驱动器连接座9，将微位移驱动器8安装到微位移驱动器连接座9后，将微位移驱动器连接座9连接到外镜筒4上，调整微位移驱动器8输出位移，使微位移传感器6恢复至查询的初始读数；将光学元件1安装到支撑镜框2。可采用胶粘固定的方式连接光学元件1与本发明所述的用于调整光学元件位姿的装置100中的支撑镜框2。

另一方面，本发明还提供了一种调整光学元件位姿的方法，其为利用本发明所提供的用于调整光学元件位姿的装置100来调整光学元件1位姿。

本发明的有益效果：环带结构的光学元件位姿调节装置在保证光学元件纳米级调节精度的同时，装置的制造容易。具备纳米级调节精度的装置主要依靠柔性结构产生形变，柔性结构是装置中的关键构件，其加工精度一般要求较高，加工难度较大。本装置中的柔性结构为环带，可利用现有板材，通过简单的线切割，从整块板材上切割加工即可完成，线切割加工量少、工艺简单。环带结构的加工厚度公差及平面度公差通过板材本身即可保证，无需额外的加工。装置中的其他构件采用常规的制造工艺及设备亦可完成加工。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种用于调整光学元件位姿的装置，其特征在于，包括：

支撑镜框，用于支撑光学元件；

外镜筒；

环带，所述环带的内侧边缘与所述支撑镜框的外侧边缘相连，所述环带的外侧边缘与所述外镜筒的内侧边缘相连；

微位移传感器，所述微位移传感器设置在所述外镜筒的内侧壁上；

微位移驱动器，所述微位移驱动器设置在所述外镜筒的内侧壁上。

2.根据权利要求1所述的用于调整光学元件位姿的装置，其特征在于，还包括微位移传感器连接座，所述微位移传感器连接座设置在所述外镜筒的内侧壁上，用于安装所述微位移传感器；和微位移驱动器连接座，所述微位移驱动器连接座设置在所述外镜筒的内侧壁上，用于安装所述微位移驱动器。

3.根据权利要求1所述的用于调整光学元件位姿的装置，其特征在于，包括：三个或三个以上微位移传感器，三个或三个以上微位移驱动器，在圆周方向上，每个微位移传感器布置在所述微位移驱动器的中间。

4.根据权利要求1所述的用于调整光学元件位姿的装置，其特征在于，所述装置还包括环带压板，所述环带压板将所述环带固定在所述外镜筒上，所述环带压板将所述支撑镜框安装在所述环带上。

5.根据权利要求1所述的用于调整光学元件位姿的装置，其特征在于，所述支撑镜框通过其外侧边缘周向分布的支撑镜框支臂连接在所述环带上；所述外镜筒通过其内侧边缘周向分布的外镜筒支臂与所述环带相连。

6.根据权利要求4所述的于调整光学元件位姿的装置，其特征在于，所述支撑镜框支臂和所述外镜筒支臂的数量分别为三个或三个以上，在圆周方向上，所述外镜筒支臂与所述支撑镜框支臂互相交错均布。

7.根据权利要求1所述的用于调整光学元件位姿的装置，其特征在于，所述环带的内侧边缘与其外侧边缘同心；所述环带的整体厚度均匀一致。

8.根据权利要求1所述的用于调整光学元件位姿的装置，其特征在于，所述微位移传感器位于所述外镜筒支臂的正下方，与所述支撑镜框的下端面对应；所述微位移驱动器位于所述支撑镜框支臂的正下方，作用在所述支撑镜框的下端面上。

9.根据权利要求1所述的用于调整光学元件位姿的装置，其特征在于，所述微位移传感器采用电容式、涡流式、光栅式或光纤式测量方式；所述微位移驱动器采用压电式、气动式、音圈式或磁滞伸缩式驱动方式。

10.一种调整光学元件位姿的方法，其特征在于，利用权利要求1-9任意一项用于调整光学元件位姿的装置来调整光学元件的位姿。