CN101369104B - 光学元件微调整装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学元件微调整装置，包括：一保持光学元件的内镜筒，至少三组摩擦定位机构，一承载容纳上述内镜筒以及摩擦定位机构的外镜筒；光学元件径向安装于内镜筒内，轴线沿重力方向，所述三组摩擦定位机构均匀设置在内镜筒四周，一端与内镜筒固定连接，另一端与外镜筒连接且保持滑动约束；一组重力平衡簧片沿内镜筒周围均匀设置，簧片的片状面平行于内镜筒光学元件的径向，一端连接外镜筒的基座，另一端连接内镜筒。摩擦定位机构通过压电执行器，可沿光学元件轴线方向调整定位光学元件，具备高精度长行程的轴向三自由度调整能力。

Description

光学元件微调整装置

技术领域

本发明涉及一种高精度光学元件调整系统，尤其涉及一种微调整系统。

背景技术

光学精密仪器及机械在很多场合要求其中光学元件具有高精度，低放热，长行程的特点。例如在半导体元件的工艺中，采用曝光设备的光刻步骤起着关键作用，随着半导体元件在IC制造中的高度集成化，光刻的线宽尺寸越来越小，要求光刻机进行高精度下细微的图形的像转移，这对投影光学系统的波像差或畸变提出了更加苛刻的要求，以补偿投影光学系统环境变化(如热影响等)。波像差或畸变由光学元件自身的性能和其参照定位精度决定。

公开号为CN1317725A的专利文献中，公开了一种曝光设备的光学元件保持装置，可以以较高精度驱动光学元件进行长行程的调整，它采用了三个压电执行器，结构简单，制造及控制方式也容易实现，但是有一个缺点，其中放大机构在使光学机构调整的行程增加的同时，却减小了其结构的刚度，使得在调整光学元件的同时，降低了其系统的稳定性。因此如何在曝光系统中即可高精度大范围调整光学元件的同时，保证其调整机构的结构刚度是一个需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的技术目的在于提供一种使用在曝光设备的光学元件微调整机构，可沿光学元件轴线方向调整定位光学元件，具备高精度长行程的轴向三自由度调整能力，并具有良好的系统稳定性。

本发明所述的一种光学元件微调整装置，包括：一保持光学元件的内镜筒，至少三组摩擦定位机构，一承载容纳上述内镜筒以及摩擦定位机构的外镜筒；光学元件径向安装于内镜筒内，轴线沿重力方向，所述三组摩擦定位机构均匀设置在内镜筒四周，一端与内镜筒固定连接，另一端与外镜筒连接且保持滑动约束；所述摩擦定位机构包括一双T型杠杆结构；垂直光学元件轴向设置的第一压电执行器，其端头与双T型杠杆结构接触；平行光学元件轴向设置的第二压电执行器，其端头通过摩擦块与双T型杠杆结构接触；所述双T型杠杆结构包括一上支臂、一下支臂以及一悬臂，上、下支臂之间相互平行，两者的同一侧分别通过柔性铰与悬臂铰接，另一侧与内镜筒的切边安装面固定连接。

一组重力平衡簧片沿内镜筒周围均匀设置，簧片的片状面平行于内镜筒光学元件的径向，一端连接外镜筒的基座，另一端连接内镜筒。

外镜筒内侧以及内镜筒的横截面均呈圆形，内镜筒的筒体外沿设有至少三个沿其周向均匀分布的切边安装面，通过该安装面与摩擦定位机构的一端固定连接，并通过一“凸”字形安装基座，垂直于光学元件的轴向安装有第一压电执行器。

所述平行的上、下支臂与悬臂三者之间构成了容纳第一压电执行器的槽，第一压电执行器的前端为球型，并与悬臂的内侧面接触，悬臂对应于接触点的外侧面开有C形槽。下支臂还设有一个容纳摩擦块的槽，摩擦块的侧面与下支臂以及悬臂接触，底部通过柔性结构与平行于光学元件镜组的轴线方向的第二压电执行器固定连接。第二压电执行器安装于外镜筒的基座上。

双T型杠杆结构的悬臂两端对应两柔性铰分为上悬臂、下悬臂；所述上悬臂设有一突出部与外镜筒内壁设置的楔形调整摩擦块压迫接触，下悬臂与外镜筒内壁之间不接触。外镜筒内壁对应于摩擦定位机构的双T型杠杆结构设有斜槽，槽面沿光学元件的镜组轴线平行方向设有若干用于固定楔形调整摩擦块的腰形孔。楔形调整摩擦块的斜面作为固定面设置于斜槽中，与上悬臂压迫接触的另一侧面平行于光学元件的镜组轴线，

作为优选方案，本发明还包括位移传感器，包括一个探头和一个目标体，位移传感器探头设置于一与外镜筒固定连接的垫圈上，传感器目标体设置于对应的摩擦定位机构，可监控内镜筒的径向运动。

本发明的光学元件微调整装置中，径向的第一压电执行器通过对双T型杠杆结构中悬臂中部的压迫，使得上悬臂与外镜筒的楔形块之间的压迫正压力变化，改变摩擦定位机构与外镜筒之间滑动约束的摩擦力的大小，而轴向的第二压电器，将高精度的与光轴平行方向的移动通过底部摩擦块传递给摩擦定位机构，同时控制了内镜筒的沿光轴方向移动。内镜筒与外镜筒基座之间设置的重力平衡簧片组，因为簧片具有受力形变单向性，使得内镜筒在轴向(也即重力方向)移动约束远小于其径向运动，从而实现了对内镜筒中保持的光学元件的轴向高精度微调同时避免径向的偏差。

本发明在光学元件的轴向高精度微调的同时，在其他方向上也保持了相当的结构刚度，避免了径向的偏移以及转动的不良影响，提高系统的稳定性。

附图说明

图1为本发明所述的光学元件微调整装置的轴侧示意图；

图2为本发明所述的光学元件微调整装置的俯视图；

图3为本发明所述的光学元件微调整装置的剖视图；

图4为本发明所述的双T型杠杆结构的剖视图；

图5为本发明所述的重力平衡簧片的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的一个具体实施例作详细说明。

如图1、2、3所示，本发明中光学元件5以胶接的形式径向安装于内镜筒4，内镜筒4具有足够的结构强度，避免受到外力时发生大的形变，其横截面为圆形。在筒体外具有三个沿其外圆周均匀分布的切边安装面，其安装面上固定连接一个“凸”字形结构的安装基座6，其顶部固定面用以固定第一压电执行器7，两侧与摩擦定位机构的双T型杠杆结构固定连接。

如图4所示，摩擦定位机构的双T型杠杆结构11由一对平行的上、下支臂以及与两者铰接的悬臂组成，上、下支臂一侧固定在安装基座6上，另一侧通过两个柔性铰11b连接悬臂，并将悬臂的两端分为上悬臂11a，下悬臂11d。

在安装时，上悬臂11a通过一个突出的部分与安装于外镜筒2内壁的楔形调整摩擦块10压迫接触。楔形调整摩擦块10安装于外镜筒2内侧的斜槽中，槽面设有沿内镜筒光学元件的轴向设置的若干腰形孔。楔形调整摩擦块10的一侧斜面作为固定面，通过腰形孔固定于斜槽，使用不同的腰形孔固定，可调整楔形调整摩擦块的轴向位置，同时使得楔形调整摩擦块10与上悬臂11a的接触面产生径向位移，改变上悬臂11a的形变大小，形成两者之间的可调节预压力。

如图3，上、下支臂以及悬臂三者共同形成了一个容纳第一压电执行器7的槽，执行器7的前端为球形，与悬臂内侧面接触，再如图4，悬臂在对应的接触点的外侧面开有一C形槽11C，便于执行器7的球状前端在压迫悬臂时悬臂发生形变，上悬臂11a以及下悬臂11d容易以两个柔性铰11b为轴心旋转。

下悬臂还设有一个可容纳摩擦块12的槽，在第一压力执行器7加电往外压迫悬臂的情况下，下悬臂11d产生顺时针旋转的形变，使得摩擦块12的侧面受到下悬臂11d以及下支臂的正压力，从而它们之间因为较大的摩擦力而不能相对滑动，整体上便约束了内镜筒围绕光学元件的轴向可能发生的旋转。

同样原理在第一压力执行器7加电往外压迫悬臂时，上悬臂11a产生逆时针旋转的形变，这一形变方向与上悬臂11a所受楔形调整摩擦块10的预压力方向相同，从而抵消上悬臂11a因初始装配的形变而产生的预压力。从整体上看，这样可以减弱甚至消除内镜筒在轴向移动时摩擦定位机构与外镜筒2之间的摩擦。

如图2所示，若干重力平衡簧片1均匀设置于内镜筒4的外圆周，又如图3，簧片1的一端连接于外镜筒2的基座，另一端连接内镜筒4，其细节图如图5，簧片连接外镜筒基座的一端1a为固定连接，另一端1b通过大头螺钉14连接于内镜筒4，其中大头螺钉14和簧片端头1b之间还留有较大的活动间隙，这是为了方便簧片1以及内镜筒4之间可能发生的径向位移(即图中的左右)，另外由于簧片具有单向受力形变的性质，其设置时片状面与内镜筒4内光学元件的镜组径向平行，在平衡内镜筒4自身重力的同时，当内镜筒4沿重力方向作轴向位移调整(即图中的上下)，使其所受到的约束力远小于径向，增强了其结构刚度，避免轴向微调过程中发生径向偏差。

如图2所示，第二压电执行器13平行于内镜筒4的光学元件的轴向，设置于外镜筒2的基座上，其端头与摩擦块12通过一柔性结构固定连接，因为内镜筒4可能发生径向位移或者围绕轴向旋转，摩擦块12会受到径向的受力，这样通过柔性结构可以避免对第二压电执行器13的端头造成偏心力损害。第二压电执行器13提供了内镜筒4的轴向位移调整的动力源。

一般情况下，投影物镜对于有热影响引起的像差补偿是实时在线的，在物镜的多个光学元件中哪一个光学元件或哪一组光学元件需要调整取决于光学系统像差敏感分析的结果和光学元件本身在结构上调整的难易程度，根据投影物镜调整光学元件在工作过程中状态不同可以定义为两种，一种为“稳定状态”，在该状态下光学元件及其调整机构调整动作停止，光学元件稳定于某一固定位置；另一种为“调整状态”，在该状态下调整机构做连续或间歇性运动，本发明中采用间歇性运动，在间歇性运动过程中，分别定义“运动调整状态”和“歇息调整状态”，在“运动调整状态”时，执行器和光学元件及调整对象均处于运动状态，而在“歇息调整状态”，执行器处于运动状态，而光学元件即调整对象处于静止状态。在下文中详细阐述本发明装置镜组的稳定状态、运动调整状态以及歇息调整状态的动作顺序以及调整过程。

稳定状态下，压电执行器7加载电压，产生较大的外张位移，双T型杠杆结构11的悬臂中段受到指向外镜筒的压迫，上悬臂11a和下悬臂11d产生指向内镜筒的侧向力，围绕柔性较11b发生相反的旋转形变，下悬臂11d产生的侧向力使摩擦块12与双T型杠杆结构11之间产生静摩擦力，而上悬臂11a产生的形变却抵消了部分双T型杠杆结构11因初始装配与外筒镜上楔形调整摩擦块10之间的预压力。

运动调整状态下，压电执行器7加载更大的电压，继续产生一定的外张位移，原理与稳定状态一样，摩擦块12与双T型杠杆结构11之间产生了更大的静摩擦力，一方面阻止了内镜筒4可能围绕轴向发生的旋转位移，另一方面在压电执行器13调整摩擦定位机构带动内镜筒4进行轴向位移时，避免摩擦块12发生轴向位移甚至脱落，而此时上悬臂11a产生的侧向力抵消了大部分双T型杠杆结构11因初始装配与外镜筒上楔形调整摩擦块10之间的预压力，减小了两者之间的摩擦。此时第二压电执行器13加载或减小电压，产生与光学元件的镜组轴向平行的推力或拉力，此推力或者拉力克服了内镜筒4以及与其固定连接的光学元件镜组、摩擦定位机构等的自身重力、重力平衡簧片1的弹力，还有双T型杠杆结构的上悬臂11a与楔形调整摩擦块10之间的静摩擦力，使整个光学系统轴向位移(上升或下降)。

歇息调整状态下，第一压电执行器7释放电压，双T型杠杆结构11的悬臂产生向自由状态恢复的趋势，此时相对于运动调整状态，摩擦块12与双T型杠杆结构11之间压力减小或两者脱离，而双T型杠杆结构的上悬臂11a与楔形调整摩擦块10之间恢复初始的预压力，然后第二压电执行器13固定当前的轴向位置，再释放电压，恢复至其自由状态，直至下一个运动循环开始。

通过上述的“运动调整状态”和“歇息运动调整状态”，整个内镜筒4及其固定连接的光学元件镜组、摩擦定位机构可产生间歇性上升或下降，将第二压电执行器13的较小行程转化为镜组的较长行程的高精度位移调整。

在上述光学元件调整过程中，因内镜筒4有可能产生径向位移或绕径向的翻转，这可以通过位移传感器检测，此位移传感器包括传感器探头8和传感器目标体9，位移传感器探头8固定于一与外镜筒2固连的垫圈上，位移传感器目标体9固定于摩擦定位机构中双T型杠杆结构11的上支臂上；如果产生翻转，则调整第二压电执行器13中其中一个或多个，如果产生径向位移，则调整第一压电执行器7中的其中一个或多个。

虽然本光学元件微调整装置主要目的是实现轴向长行程的高精度位移调整，但是也可以进行一定的径向小位移调节，通过如下方式实现：在稳定状态下，光学元件及其保持装置下部通过重力平衡簧片1和摩擦块12支撑，上部则靠摩擦定位机构中双T型杠杆结构的上悬臂11a与外镜筒2内侧楔形调整摩擦块10之间的垂向摩擦定位，此时光学元件及其保持装置绕双T型杠杆结构的柔性铰11b具有一定的旋转自由度，同时摩擦块12和重力平衡簧片1也具有一定的旋转或位移空间，因此通过控制执行器7产生位移，达到小位移径向移动光学元件的目的。

以上介绍的仅仅是基于本发明的一个较佳实施例，并不能以此来限定本发明的范围。任何对本发明的机制作本技术领域内熟知的部件的替换、组合、分立，以及对本发明实施步骤作本技术领域内熟知的等同改变或替换均不超出本发明的揭露以及保护范围。

Claims (13)

1.一种光学元件微调整装置，包括一保持光学元件的内镜筒，至少三组摩擦定位机构，一承载容纳上述内镜筒以及摩擦定位机构的外镜筒；所述光学元件的轴线沿重力方向，并径向安装于内镜筒内，所述至少三组摩擦定位机构均匀设置在内镜筒的外圈，一端与内镜筒固定连接，另一端与外镜筒连接且保持滑动约束；其特征在于所述摩擦定位机构包括一双T型杠杆结构；垂直光学元件轴向设置的第一压电执行器，其端头与双T型杠杆结构接触；平行光学元件轴向设置的第二压电执行器，其端头通过摩擦块与双T型杠杆结构接触；所述双T型杠杆结构包括一上支臂、一下支臂以及一悬臂，上、下支臂之间相互平行，两者的同一侧分别通过柔性铰与悬臂铰接，另一侧与内镜筒的切边安装面固定连接。

2.如权利要求1所述的一种光学元件微调整装置，其特征在于还包括一组沿内镜筒周围均匀设置的重力平衡簧片，簧片的片状面平行于内镜筒光学元件的径向，一端连接外镜筒的基座，另一端连接内镜筒的筒体。

3.如权利要求2所述的一种光学元件微调整装置，其特征在于簧片与内镜筒通过大头螺钉连接，螺钉与簧片之间留有活动间隙。

4.如权利要求1所述的一种光学元件微调整装置，其特征在于，外镜筒内侧以及保持光学元件的内镜筒的横截面均呈圆形，内镜筒的筒体外沿设有至少三个沿其周向均匀分布的切边安装面，通过该安装面安装摩擦定位机构。

5.如权利要求4所述的一种光学元件微调整装置，其特征在于所述切边安装面与一“凸”字形安装基座固定连接，“凸”形结构的顶部固定面安装第一压电执行器，第一压电执行器垂直于光学元件的镜组轴线方向设置。

6.如权利要求1或4所述的一种光学元件微调整装置，其特征在于所述平行的上、下支臂与悬臂三者之间形成容纳第一压电执行器的槽，第一压电执行器的前端为球型，并与悬臂的内侧面接触，悬臂对应于接触点的外侧面开有C形槽。

7.如权利要求6所述的一种光学元件微调整装置，其特征在于所述下支臂设有一个容纳摩擦块的槽，摩擦块的侧面与下支臂以及悬臂对应的一端接触，底部通过柔性结构与第二压电执行器固定连接。

8.如权利要求7所述的一种光学元件微调整装置，其特征在于所述第二压电执行器平行于光学元件的镜组轴线方向安装在外镜筒的基座上。

9.如权利要求8所述的一种光学元件微调整装置，其特征在于所述双T型杠杆结构的悬臂两端对应两柔性铰分为上悬臂、下悬臂；所述上悬臂设有一突出部与外镜筒内壁设置的楔形调整摩擦块之间压迫接触，下悬臂与外镜筒内壁之间不接触。

10.如权利要求9所述的一种光学元件微调整装置，其特征在于所述外镜筒内壁对应于摩擦定位机构的双T型杠杆结构，设有至少三个斜槽，槽面沿光学元件的镜组轴线平行方向设有至少两个腰形孔，所述楔形调整摩擦块由螺钉通过腰形孔固定于槽中。

11.如权利要求10所述的一种光学元件微调整装置，其特征在于所述楔形调整摩擦块的斜面作为固定面设置于斜槽中，与上悬臂压迫接触的另一侧面平行于光学元件的镜组轴线。

12.如权利要求1或4所述的一种光学元件微调整装置，其特征在于还包括位移传感器，所述位移传感器包括一个探头和一个目标体，位移传感器探头设置于一与外镜筒固定连接的垫圈上，传感器目标体设置于对应的摩擦定位机构。

13.如权利要求1或4所述的一种光学元件微调整装置，其特征在于所述内镜筒内壁与光学元件胶结。

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