CN102162900A - 反射镜高精度装夹装置 - Google Patents

Abstract

本发明是反射镜高精度装夹装置，属于超高精度光学元件检测设备中光学元件的夹持装置领域，解决了超高精度干涉仪系统反射镜装夹问题。该装置主要包括有固定支架、镜框内环、镜框外环、定位支撑结构，压紧结构，所述的镜框内环和镜框外环组成镜框，并将反射镜固定在镜框中，直接与镜框内环接触，镜框内环通过定位支撑结构和压紧结构固定在镜框外环上，定位支撑结构和压紧结构成120度均匀分布，镜框外环在固定支架上，固定支架通过对称布置的底板上的定位孔固定。本发明广泛应用于超高精度光学元件检测设备中反射镜和透镜光学元件的夹持，解决了重力变形对装置精确度的影响，且克服现有技术中夹持装置过约束的问题。

Description

反射镜高精度装夹装置

技术领域

本发明属于超高精度光学元件检测设备，具体说是对光学元件面形要求非常高的超精密光学设备中反射镜或透镜等光学元件的夹持装置。

背景技术

通常使用超高精度的干涉仪来检测光学元件的面形，要实现如此之高的检测精度也对干涉仪自身的精度提出了很高的要求。对于大口径光学元件来讲，其重力变形在高精度应用中变得尤为重要，如何补偿重力变形对光学元件面形的影响就成为能否实现高精度检测的重要因素。

光刻设备是电子行业的集成电路生产设备的核心，其通过一个物镜系统来实现纳米级线宽的光刻加工，为了实现如此高的精度，其自身的光学元件的面形要求需要达到1～2nm。

现在的光刻设备制造商通常使用超高精度的菲索干涉仪来检测光刻镜头中的光学元件。在设计超高精度干涉仪时，如何保证光学元件的面形精度是非常重要的，对于大口径光学元件来讲，如何补偿重力变形则成为保证面形精度的前提。菲索形式的干涉仪为了降低高度，通常会添加一个反射镜来改变光路的方向，这块反射镜与水平成45°，因而其口径要远大于光轴上的透镜的口径，并且反射镜对精度的敏感性更高。

美国专利(公开号：US 6844994B2；公开日：2005年1月18日)公开了一种补偿光学元件面形的技术。该技术利用压电驱动器，通过闭环反馈控制系统，对光学元件表面施加力和弯矩，来补偿光学元件的面形。但是该技术需要增加反馈控制系统和压电驱动器，结构复杂，并且直接作用在光学元件的表面，不适用于反射镜。

美国专利(公开号：US 6239924B1；公开日：2001年5月29日)公开了一种透镜的高精度装夹结构。该结构通过三个挠性支撑来定位光学元件，通过9个弹簧片提供辅助支撑，使重力作用下的变形更加均匀。但是该技术比较适用于透镜的装夹，对于大口径的反射镜来说，其并未能有效地解决重力的影响，该技术中的支撑及压紧结构都是为了使重力变形更加均匀。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种光学元件的装夹装置，它可以将反射镜固定到镜框上，并且不产生过约束，同时可以对重力造成的反射镜面形变化进行补偿，从而保持满意的光学性能。

为了解决现有技术存在的不足，本发明提供了以下技术方案。反射镜高精度装夹装置，其特征是：主要包括有固定支架、镜框内环、镜框外环、定位支撑结构、压紧结构；所述的镜框内环和镜框外环组成镜框，并将反射镜固定在镜框中，且反射镜直接与镜框内环接触；所述的镜框外环安装在固定支架上，固定支架通过定位孔安装在对称布置的底板上；所述的镜框内环通过定位支撑结构和与之相对应的压紧结构固定在镜框外环上；所述的定位支撑结构安装在镜框外环上，并成120度均匀分布，与之相对应的压紧结构同时安装在镜框外环上，并成120度均匀分布。

所述的定位支撑结构和与之相对应的压紧结构为偏心布置。所述镜框内环的下表面上布置了三个定位凹槽，分别为三角形凹槽、矩形凹槽、球形凹槽。所述的定位支撑结构分别与所述的三角形凹槽、矩形凹槽、球形凹槽配合装配。

所述的压紧结构包括：紧固螺钉、上垫块、下垫块、弹性压片；压紧结构通过紧固螺钉固定在镜框外环上；所述的上垫块和下垫块之间是成斜面形，上垫块和下垫块之间存在一个凹槽，用于放置弹性压片。所述的弹性压片包括：压紧端、固定端、凸台、连杆、通孔、矩形槽；压紧端向下弯曲，固定端向上弯曲呈拱形，且压紧端和固定端通过两个连杆连接在一起；所述的凸台位于压紧端的末端接触镜框内环，且凸台的接触面是平面；所述的固定端上设有通孔、两个矩形槽。

有益效果：本发明广泛应用于超高精度光学元件检测设备中反射镜和透镜光学元件的夹持。有效地解决了重力变形对装置精确度的影响，且克服现有技术中夹持装置过约束的问题。能够严格保证反射镜的纳米级面形精度。特别是对利用菲索干涉仪检测超高精度光学元件面型的准确度给予了充分的保障。

附图说明

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1为现有技术中的菲索干涉仪结构示意图。

图2为本发明的菲索干涉仪中反射镜装夹结构示意图。

图3为图2的A-A向的全剖视图。

图4为本发明的装夹结构内环仰视图。

图5为本发明的菲索干涉仪中装夹结构去除内环以后的结构示意图。

图6为本发明的支撑结构与外环之间构成动力学支撑的结构示意图。

图7为本发明的压紧结构中弹性压片的结构示意图。

图8为压紧结构中弹性压片在图7中C向和D向的结构示意图。

图9为本发明的补偿重力变形作用原理示意图。

图10为本发明描述装夹流程示意图。

图11为本发明的菲索干涉仪中反射镜装夹结构示意图。

图12为图11的E-E向的全剖视图。

图13为本发明弹性支撑结构的示意图。

图14为图13的B-B向的全剖视图。

图15为本发明第二实例中反射镜装夹结构去除内环以后的结构示意图。

图中：1为光源、2为折返镜光机结构、3为CCD系统、4为准直镜组、5为反射镜、6为参考镜光机结构、7为待测件工作台、8为定位孔、10a为镜框内环、10b为镜框外环、11为压紧结构、12为紧固螺钉、13为上垫块、14为下垫块、15为弹性压片、16为固定支架、17为底板、18a为三角形凹槽、18b为矩形凹槽、18c为球形凹槽、19为下表面、20为定位支撑结构、21为支撑座、22为紧固螺钉、23为紧固螺钉、24为定位面、25为球形定位面、26为压紧端、27为固定端、28为凸台、29为两个连杆、31为通孔、32为矩形槽、34为变形曲线甲、35为变形曲线乙、36丙变形曲线丙、112为弹性支撑结构、122为支撑座、123为紧固螺钉、124为支撑杆、125为盲孔、126为弹簧、127为细杆。

具体实施方式

实施例1：下面通过参考图1到10来描述本发明的第一实施例。

A、菲索干涉仪的构成(见附图1)。在第一实例中，菲索干涉仪是一种用于高精度面形检测的精密仪器，其光学系统为典型的菲索型干涉光路，利用参考面形成的参考波前来测量待测光学元件的面形精度。

对于光刻机物镜等超高精度仪器，重力变形对其元件性能的影响是非常大的，尤其是当光学元件的光轴非垂直于重力作用的情况下。对此，检测光刻机物镜中光学元件面形时要求光学元件光轴垂直。而一般干涉仪设计时都会设计成水平结构，这样更有利于提高结构性能、便于使用。为此，本发明中的干涉仪需要在检测光路中添加一块反射镜5，将水平光线转换成垂直光线。

图1示意性地描述了菲索干涉仪的构形，该设备包括光源1、折返镜光机结构2、CCD系统3、准直镜组4、反射镜5、参考镜光机结构6、待测件工作台7。激光光源1发出的光线经过准直镜组4以后变成平行光，平行光经过反射镜5反射以后，变成光轴垂直的光线，然后光线通过参考面形成参考波前(用于检测的标准波前)，参考波前由待测元件表面反射形成检测波前，检测波前与参考波前发生干涉，干涉条纹经CCD系统3采集，经过处理以后就可以获得待测元件表面的面形情况。反射镜5光机结构的作用是提供高精度的装夹和定位，以保证反射镜能够将光源射过来的光线高精度地投射在参考面上。一般反射镜的精度对光学系统的影响较同轴类元件更敏感，其对光机结构的精度提出了更高的要求。

B、反射镜装夹结构的构成(见附图2、附图3)。图2是用来描述本发明第一实例的干涉仪中反射镜的装夹结构简图。反射镜5固定在镜框中，镜框由镜框内环10a和镜框外环10b组成。反射镜5直接与镜框内环10a接触，镜框内环10a通过定位支撑结构20(图5、图6)和压紧结构11固定在镜框外环10b上。定位支撑结构20和压紧结构11成120度均匀分布，为典型的动力学支撑结构。反射镜5通过一个固定支架16来保证与干涉仪中其他元件的位置，镜框外环10b设计在固定支架16上。固定支架16通过对称布置的底板17上的定位孔8进行固定。

图3是用来描述图2内部结构的一个全剖视图。定位支撑结构20安装在镜框内环10a表面的三角形凹槽18a、矩形凹槽18b、球形凹槽18c上，直接与镜框内环10a接触。压紧结构11包括：紧固螺钉12、上垫块13、下垫块14、弹性压片15，弹性压片15与每个定位支撑结构之间是偏心布置的。这种偏心结构在弹性压片15的压紧力作用下，会对镜框内环10a产生一个弯矩作用，并通过镜框内环10a与反射镜5的接触，将弯矩传递到反射镜上。由于此时弯矩作用与重力作用方向相反，因而可以起到补偿重力变形的作用。弹性压片在压紧结构中是倾斜放置的，这样做更有利于压紧力的施加。

C、定位支撑结构的构成(见附图4、附图5、附图6)。图4是装夹结构内环的一个仰视图。在镜框内环10a的下表面19上布置了三个用于定位的凹槽，分别为三角形凹槽18a、矩形凹槽18b、球形凹槽18c。这三个凹槽经过工艺处理以后具有很高的硬度，可以在接触定位时具有很高的稳定性。矩形凹槽18b可以提供1一个自由度的约束，三角形凹槽18a可以提供2个自由度的约束，球形凹槽18c可以提供3个自由度的约束。通过这三个凹槽与三个定位支撑结构20的配合，就可以实现对镜框内环10a的动力学约束。

图5是去除了镜框内环10a以后的装夹结构图，可以看出每个定位支撑结构与每个压紧结构均匀布置，并呈偏心分布。

图6是描述定位支撑结构的一个全剖视图。每个定位支撑结构包括：支撑座21、紧固螺钉22、紧固螺钉23。支撑座21通过定位面24定位在镜框外环10b上，通过紧固螺钉22、23进行固定。支撑座21上的球形定位面25与镜框内环10a上的凹槽相互配合，球形定位面也是经过特殊处理的，其硬度很高。在压紧力的作用下，球形接触表面可以相互转动，避免过约束的产生。由于需要通过定位支撑结构来定位内环10a，所以对定位支撑结构的定位精度是有要求的，特别是要保证其轴向、倾斜、俯仰的精度。这三种定位精度可以通过在装配时，修磨支撑座21的定位面24来获得。

D、压紧结构的构成(见附图2、附图7、附图8)。图2中，压紧结构11包括：紧固螺钉12、上垫块13、下垫块14、弹性压片15。上垫块13和下垫块14之间被设计成斜面的形式，这样的结构有利于压紧力的施加。上垫块13和下垫块14之间存在一个凹槽，用于放置弹性压片15。压紧时，通过紧固螺钉12将压紧结构固定在镜框外环10b上，同时调节紧固螺钉可以起到调节压紧力的作用。

图7和图8描述了弹性压片15的结构示意图。本发明中的弹行压片15被设计成了特殊的形式。从图8中可以看出，其整体结构是一个拱形，压紧端26向下弯曲，固定端27向上弯曲，压紧端26和固定端27通过两个连杆29连接在一起。压紧端26的末端是一个凸台28，负责与镜框内环10a接触，将压紧力传递到镜框内环10a上。凸台28的接触面被设计成平面，这样做可以改善压紧力的作用，避免应力过于集中。固定端27上的通孔31，用于紧固螺钉12(图2)通过。固定端27上的两个矩形槽32用于降低固定端27的刚度。紧固螺钉旋紧时，固定端27在矩形槽32中被压平，由此会增加弹性压片的整体刚度，能够更好地将压紧力传递到压紧端26。作为一个整体，弹性压片15的刚度应该实现精确设计好，因为这里要求弹性压片在具有足够的刚度的情况下，还必须具有一定程度挠性。具有挠性的弹性压片可以有效地解决温度变化时热应力的产生。

第一实施例采用的是动力学支撑形式，三点支撑形式在镜子表面会产生三阶Zernike面形误差，其变形方向与重力变形方向是相反的，因而相互叠加作用就会对面形进行补偿。镜框内环10a中的定位支撑结构20应该设计成相对刚度很大的结构，这样就可以将压紧结构11所施加的作用进行缓解。

E、装夹流程(见附图9、附图10)。图9为本发明所应用的补偿重力原理的示意图，图中曲线为通过光学元件中心的剖面的变形量。光轴垂直放置的光学元件在重力作用下，会产生沿重力作用方向的表面变形，其变形量是关于光轴旋转对称的，这种变形量的影响可以通过调节给以一定程度的消除。但是干涉仪中的反射镜的光轴与水平成45度角，重力作用下的变形为非旋转对称的高次曲面，很难通过调节其他元件的位置对其进行补偿。

干涉仪中的反射镜为平面镜，这里在考虑其重力变形时，我们只需研究其反射面法向的变形情况。提取重力作用下的反射镜表面变形的法向变形量，得到曲线丙36，可见，法向变形量为对称分布的高次曲线。如果在反射镜上施加一个作用方向与重力相反的弯矩，就会在反射面上形成一个沿着法向向上弯曲的变形曲线甲34。两个变形曲线34、36相互叠加就是实际上反射镜表面的变形量曲线乙35，可以看出变形量减少了很多。通过分析可以得出，同过不断地调节施加在反射镜上的弯矩，就可以获得接近理想的反射面。

图10是描述装夹流程的示意图。为了实现纳米级别的面形误差的镜子装夹，机械结构的精度要求非常之高，往往超过了现有的加工和装配的精度能力。为了解决机械结构的精度限制，本发明提供了一种反射镜的装夹流程，按照此流程以及本发明所提供的反射镜装夹结构，可以有效地实现高精度的反射镜的装夹，并可以有效地补偿重力作用产生的变形。具体的装夹流程为：

1、根据公式F＝ma_g/3(其中：F为压紧力，m为元件质量，a_g为加速度)，计算每个压紧结构11需要提供的压紧力F；

2、按照上述计算的压紧力初步压紧；

3、测量压紧后反射镜5的面形；

4、分析对比测量结果与理想面形之间的差异；

5、修改压紧结构11的作用力，重新夹紧；

6、重复3、4、5，直至获得满意的面形精度。

实施例2：下面通过参考图11到15来描述本发明的第二实施例。

A、反射镜装夹结构的构成(见附图11、附图12)。本发明第一实施例中采用三点支撑形式，在重力作用下会产生三阶Zernike面形误差，由于阶次较低，对重力变形的补偿效果相对粗糙。针对这个问题，本发明的第二实施例对此进行了相应的设计。

图11是用来描述本发明第二实例的干涉仪中反射镜装夹结构简图。压紧结构11和定位支撑结构20和弹性支撑结构112成30度均匀分布，为多点支撑形式，这种分布的支撑结构会使反射镜表面产生变形更加均匀，如果选择合适的压紧力，该结构对重力变形的补偿效果更好。

图12描述的是图11的一个剖视图。通常多点支撑会带来一个过约束的问题，尤其是在高精度的镜子夹持时。本发明的第二实施例对此设计了一种弹性支撑结构112，可以在提供足够的支撑力的情况下，不会引入过约束。第二实施例中添加了弹性支撑结构112，其支撑点与定位支撑的支撑点处于同一分布圆周上，与压紧结构11为偏心布置。

B、弹性支撑结构112的构成(附图13、附图14)。图13和图14是用来描述弹性支撑结构112的示意图。弹性支撑结构112包括：支撑座122、紧固螺钉123、支撑杆124、弹簧126。支撑座122的下表面与镜框外环10b接触，用于定位，通过紧固螺钉123固定。支撑座122上设计有一个盲孔125，用于放置支撑杆124和弹簧126。支撑杆124的顶端设计有一个凹槽，弹簧126就是装配在这个凹槽中。支撑杆124顶端的外径与支撑座122的盲孔125之间存在一定的间隙，以便弹性支撑结构112与镜框内环10a接触时可以产生一定的转动。装配时，首先将弹簧126套在支撑杆124下部的细杆127上，然后将支撑杆124装入支撑座122的盲孔125内。弹簧126的长度以及弹性常数都必须实现经过精确计算获得。

图15描述的是装配在镜框外环10b上的结构。夹紧机构和支撑结构相互配合，提供多点支撑。

Claims (6)

1.反射镜高精度装夹装置，其特征是：包括有固定支架(16)、镜框内环(10a)、镜框外环(10b)、定位支撑结构(20)、压紧结构(11)、底板(17)；

所述的镜框内环(10a)和镜框外环(10b)组成镜框，并将反射镜(5)固定在镜框中，且反射镜(5)直接与镜框内环(10a)接触；

所述的镜框外环(10b)安装在固定支架(16)上，固定支架(16)通过底板(17)上的定位孔(8)固定安装；

所述的镜框内环(10a)通过定位支撑结构(20)和与之相对应的压紧结构(11)固定在镜框外环(10b)上；

所述的定位支撑结构(20)安装在镜框外环(10b)上，并沿镜框外环(10b)的圆周成120度角均匀分布，与之相对应的压紧结构(11)同时安装在镜框外环(10b)上，并沿镜框外环(10b)的圆周成120度角均匀分布。

2.根据权利要求1所述的反射镜高精度装夹装置，其特征是：所述的定位支撑结构(20)和与之相对应的压紧结构(11)为偏心布置。

3.根据权利要求1所述的反射镜高精度装夹装置，其特征是：所述镜框内环(10a)的下表面(19)上布置了三个定位凹槽，分别为三角形凹槽(18a)、矩形凹槽(18b)、球形凹槽(18c)。

4.根据权利要求1或3所述的反射镜高精度装夹装置，其特征是：所述的定位支撑结构(20)分别与所述的三角形凹槽(18a)、矩形凹槽(18b)、球形凹槽(18c)配合装配。

5.根据权利要求1所述的反射镜高精度装夹装置，其特征是：所述的压紧结构(11)包括：紧固螺钉(12)、上垫块(13)、下垫块(14)、弹性压片(15)；压紧结构(11)通过紧固螺钉(12)固定在镜框外环(10b)上；所述的上垫块(13)和下垫块(14)之间是成斜面形，上垫块(13)和下垫块(14)之间形成一个凹槽，弹性压片(15)置于该凹槽内。

6.根据权利要求5所述的反射镜高精度装夹装置，其特征是：所述的弹性压片(15)包括：压紧端(26)、固定端(27)、凸台(28)、连杆(29)、通孔(31)、矩形槽(32)；压紧端(26)向下弯曲，固定端(27)向上弯曲呈拱形，且压紧端(26)和固定端(27)通过两个连杆(29)连接在一起；所述的凸台(28)位于压紧端(26)的末端接触镜框内环(10a)，且凸台(28)的接触面是平面；所述的固定端(27)上设有通孔(31)、两个矩形槽(32)。

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