CN113391417B - 一种光学元件支撑结构 - Google Patents

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Abstract

本申请属于光学元件支撑领域，提供一种光学元件的支撑结构，用于套设于光学元件外围支撑定位所述光学元件，所述光学元件的支撑结构包括支撑部和连接所述光学元件支撑部的连接部，所述支撑部用于支撑放置所述光学元件，所述连接部用于连接所述光学元件，所述光学元件和所述连接部通过柔性结构连接。本申请的支撑结构能够减小光学元件由热应力引入的变形。

Description

一种光学元件支撑结构
技术领域
本申请涉及光学元件支撑的技术领域，特别是涉及一种光学元件支撑结构。
背景技术
光学元件固定通常采用支撑结构来实现，支撑结构与元件之间的装配，一定会在某种程度上对元件面形产生影响，主要是因为在装配过程中会产生作用在光学元件上的力或力矩，从而使得元件发生微小形变。另外如果元件使用环境存在明显的温度变化或者元件受热辐射，如果支撑结构设计不合理，一定程度上会在元件内部产生难于预测的热变形，尤其是在真空环境下，对于高精度的光学元件来说，该微小形变是绝对不允许的。对于无法预测的热变形而言，只有从根本上去除热源影响，才能抑制热变形引起的元件面形变化。而对于可以预测的热变形而言，通常可以采用主动补偿/热控的方法来抑制，其成本和难度都会大大降低。为了满足光学元件高精度面形的要求，元件支撑装置在结构设计过程中必须考虑如何有效的降低装配及环境变化引入的应力，尽可能小的影响元件面形。
为了尽可能降低光学元件与其支撑结构的热胀系统不一致引入的热应力，一般光学元件多采用低膨胀材料，支撑结构一般选择膨胀系数与光学元件最匹配的材料，如金属材料铟钢，更优的选择与元件材料一致的低膨胀玻璃材料。铟钢材料其加工相对容易，热胀系数也足够低，在超高精度面形要求的情况下甚至会选择与元件材料一致的光学玻璃作为支撑结构的主体材料。热环境较差的使用情况下，对于高精度面形要求的元件来说，尽量避免元件与支撑采用螺钉来固定或夹紧，放置热应力作用下元件面形发生变化或者元件在热应力作用下发生不必要的损坏。通常采用粘接以及热性支撑的方式来降低元件热致变形的风险，一般来说支撑点选择三点、六点等对称结构形式来减小非旋转对称面形误差。
目前减小光学元件热变形的方式主要是通过对元件进行冷区/隔热处理，达到降低温度变化对元件面形的影响，但是该方法有一定的局限性，其原因主要有两个方面：一方面，冷却一般采用的导热介质为水或者气，降低冷却引入的附加震动难度很大，尤其是对于稳定性要求极高的系统，比如极紫外光刻领域。另一方面，在真空环境中，冷却方案实施较为困难，需要经过特殊处理以及严格的工程测试，增加了装配以及工程实施的难度，同时也一定程度上增加了工程成本。因此，在热环境较差或者真空环境下，在光学元件支撑结构设计过程中，应着重考虑元件热变形的抑制或减弱。
发明内容
基于此，本申请提供一种光学元件支撑结构，能够减小热应力的光学元件支撑结构形式，有效减小光学元件在热载荷的作用下引起的面形变化，同时能够保证光学元件残余热变形的形式可控，并且具有较好的结构稳定性。
为解决上述技术问题，本申请提供一种光学元件的支撑结构，用于套设于光学元件外围支撑定位所述光学元件，所述光学元件的支撑结构包括支撑部和连接所述光学元件支撑部的连接部，所述支撑部用于支撑放置所述光学元件，所述连接部用于连接所述光学元件，所述光学元件和所述连接部通过柔性结构连接。
优选地，所述光学元件支撑部为环状基准面。
优选地，所述连接部包括内圈、弧形片体和外圈，所述内圈与所述光学元件接触，所述弧形片体设置为两层，第一层均匀间隔设置在所述内圈外侧，第二层均匀搭接在第一层的相邻两个所述弧形片体上，所述外圈设置在所述弧形片体外侧。
优选地，所述弧形片体为柔性片体。
优选地，所述第一层和第二层的弧形片体数量相同，均为3个或6个。
优选地，所述外圈上设置冷却环。
优选地，所述柔性结构为弹性压块，所述弹性压块设置在两个相邻所述第一层弧形片体形成的间隔内。
优选地，所述弹性压块包括与所述支撑部连接的连接端，所述连接端背离所述支撑部的一端垂直延伸形成弹性压块凸台，所述弹性压块压接在所述光学元件上，所述连接端和所述弹性压块凸台的连接处设置弧形凹槽柔节，所述弹性压块的连接端顶部设置有螺纹孔。
优选地，所述光学元件与所述支撑结构的接触处涂有导热胶或导热介质。
优选地，所述光学元件与所述光学元件支撑结构连接的外围设置凸台。
本申请的有益效果：
1)本申请光学元件与支撑结构的通过弹性压紧的方式固定连接，固定点为三点、六点等对称分布形式，支撑结构的主体均匀分布了三或六处径向柔性片体，径向柔性片体结构主要用于减小光学元件由热应力引入的变形，同时还可以有效的消除装配压紧过程中由于过约束引起的径向干扰应力。
2)冷却环布置在支撑结构外圈，与光学元件通过柔性片体结构联接，可有效抑制冷却介质带来的元件位置扰动。
3)本申请的光学元件采用台阶的方式，使得光学元件与支撑结构接触承力的位置距离工作面较远，可有效减小元件面形变形。
附图说明
图1为本申请实施例提供的光学元件支撑结构装配图；
图2为本申请实施例提供的光学元件支撑结构原理图；
图3为本申请实施例提供的光学元件支撑结构的光学元件示意图；
图4为本申请实施例提供的光学元件支撑结构的弹性压块结构示意图。
附图中各标号的含义为：
1、光学元件，2、弹性压块，3、支撑结构，
1-1、工作面，1-2、光学元件凸台，
2-1、螺纹孔，2-2、弹性压块凸台，2-3、弹性压块连接端，
3-1、固定点，3-2、弧形片体，3-3、基准面，3-4、冷却环。
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
实施例1：
请参阅图1，本申请实施例提供一种光学元件的支撑结构，用于套设于光学元件外围支撑定位所述光学元件(1)，所述光学元件(1)的支撑结构(3)包括支撑部和与所述支撑部连接的连接部，所述支撑部用于支撑放置所述光学元件(1)，所述连接部用于连接所述光学元件(1)，所述光学元件(1)和所述连接部通过柔性结构连接。
所述支撑部为环形基准面(3-3)，所述连接部包括与所述光学元件接触的内圈、
所述连接部内圈、弧形片体(3-2)和外圈，所述内圈与所述光学元件(1)接触，所述弧形片体(3-2)设置为两层，第一层均匀间隔设置在所述内圈外侧，第二层均匀搭接在第一层的相邻两个所述弧形片体(3-2)上，所述外圈设置在所述弧形片体(3-2)外侧。
所述第一层弧片体设置为3个或者6个，在本申请实施例中，第一弧形片体(3-2)设置为6个，第二层弧形片体(3-2)与第一层弧形片体(3-2)的数量相同，均为6个。两个相邻第一层弧形片体(3-2)之间形成的间隔定义为固定点(3-1)，在光学元件(1)固定前，光学元件(1)通过支撑结构上的6个固定点(3-1)，实现轴向的精密定位。所述光学元件(1)于支撑结构的基准面(3-3)以及固定点(3-1)的接触处均涂上导热胶或者导热介质，能够有效增大光学元件与支撑结构的接触面积，提高导热效率，支撑结构与光学元件(1)侧面接触的地方有一定面积和深度的凹槽，达到控制胶层厚度一致的目的，其带来的胶层厚度误差直接取决于加工误差，是完全可控的。
具体的，本申请采用三点或六点固定点等对称的分布形式，相对于现有技术中压圈夹紧的方式，其优点在于应力小。其次，本申请实施例中的弧形片体(3-2)为柔性片体，减小了光学元件由热应力引入的变形，同时还能有效的消除装配过程中由于过约束引起的径向干扰应力。本申请的弧形片体(3-2)还具有一定的导热效果。
所述外圈上设置冷却环(3-4)，主要功能是将光学元件(1)和支撑结构(3)的热量带走，从而保证光学元件(1)的稳定性。
更进一步的，为了减小光学元件(1)的工作面的变形，光学元件(1)在加工制造时设计一个光学元件凸台(1-2)，所述光学元件凸台(1-2)与支撑结构(3)连接，可减小装配时的压紧应力，同时还有利于减小光学元件工作面(3-1)的热变形。
在一些实施例中，所述柔性结构为弹性压块(2)，所述弹性压块(2)设置在固定点(3-1)处，所述弹性压块(2)包括连接端(2-3)，所述连接端(2-3)背离所述支撑部的一端垂直延伸形成弹性压块凸台(2-2)，所述连接端(2-3)和所述弹性压块凸台连接处设置弧形凹槽柔节，所述弹性压块(2)的连接端(2-3)顶部设置有螺纹孔(2-1)，通过螺纹孔(2-1)实现光学元件(1)的固定。
本申请采用的支撑结构的材料为铟钢材料或者超铟钢材料，其热胀系数是金属材料中较接近光学元件材料的材料之一，并且具有较好的加工性能，能很好的消减机械结构在温度变化的情况下应力变形。本申请的支撑结构在选材和表面处理以及零部件的选择方面都可以具有良好的真空兼容性，可以满足较高真空度的使用要求。具体的，本申请具有以下技术效果：
1)本申请光学元件与支撑结构的通过弹性压紧的方式固定连接，固定点为三点、六点等对称分布形式，支撑结构的主体均匀分布了三或六处径向柔性片体，径向柔性片体结构主要用于减小光学元件由热应力引入的变形，同时还可以有效的消除装配压紧过程中由于过约束引起的径向干扰应力。
2)冷却环布置在支撑结构外圈，与光学元件通过柔性片体结构联接，可有效抑制冷却介质带来的元件位置扰动。
3)本申请的光学元件采用台阶的方式，使得光学元件与支撑结构接触承力的位置距离工作面较远，可有效减小元件面形变形。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本申请的优选的实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种光学元件的支撑结构，其特征在于，用于套设于光学元件外围支撑定位所述光学元件，所述光学元件的支撑结构包括支撑部和连接所述光学元件支撑部的连接部，所述支撑部用于支撑放置所述光学元件，所述连接部用于连接所述光学元件，所述光学元件和所述连接部通过柔性结构连接；
所述连接部包括内圈、弧形片体和外圈，所述内圈与所述光学元件接触，所述弧形片体设置为两层，第一层均匀间隔设置在所述内圈外侧，第二层均匀搭接在第一层的相邻两个所述弧形片体上，所述外圈设置在所述弧形片体外侧；
所述弧形片体为柔性片体。
2.根据权利要求1所述的一种光学元件的支撑结构，其特征在于，所述光学元件支撑部为环状基准面。
3.根据权利要求1所述的一种光学元件的支撑结构，其特征在于，所述第一层和第二层的弧形片体数量相同，均为3个或6个。
4.根据权利要求1所述的一种光学元件的支撑结构，其特征在于，所述外圈上设置冷却环。
5.根据权利要求1所述的一种光学元件的支撑结构，其特征在于，所述柔性结构为弹性压块，所述弹性压块设置在两个相邻所述第一层弧形片体形成的间隔内。
6.根据权利要求5所述的一种光学元件的支撑结构，其特征在于，所述弹性压块包括与所述支撑部连接的连接端，所述连接端背离所述支撑部的一端垂直延伸形成弹性压块凸台，所述弹性压块压接在所述光学元件上，所述连接端和所述弹性压块凸台的连接处设置弧形凹槽柔节，所述弹性压块的连接端顶部设置有螺纹孔。
7.根据权利要求1所述的一种光学元件的支撑结构，其特征在于，所述光学元件与所述支撑结构的接触处涂有导热胶或导热介质。
8.根据权利要求1所述的一种光学元件的支撑结构，其特征在于，所述光学元件与所述光学元件支撑结构连接的外围设置凸台。
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