董世則 ,郭 抗 ,李顯凌* ,陳華男,張德福
(1.中國科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 超精密光學(xué)工程研究中心,吉林 長(zhǎng)春 130033;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
光學(xué)元件狹縫柔性調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析
董世則1,2,郭 抗1,李顯凌1*,陳華男1,張德福1
(1.中國科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 應(yīng)用光學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 超精密光學(xué)工程研究中心,吉林 長(zhǎng)春 130033;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)
設(shè)計(jì)了一種狹縫柔性結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),使光學(xué)元件在具備較高調(diào)節(jié)精度的同時(shí),保持較高的導(dǎo)向精度。采用彈性力學(xué)應(yīng)力函數(shù)法分析了狹縫柔性結(jié)構(gòu)的剛度,以徑向剛度與軸向剛度的比值為目標(biāo)函數(shù),對(duì)狹縫柔性結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,在不超過柔性結(jié)構(gòu)材料屈服應(yīng)力等約束條件下,剛度比最優(yōu)值達(dá)到1 573.6,較大的剛度比值可以減小調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的耦合位移,從而提高機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向精度。該結(jié)構(gòu)加工裝配方便,可實(shí)現(xiàn)三自由度(θx-θy-Z)調(diào)節(jié)。對(duì)優(yōu)化后的柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,結(jié)果表明:徑向剛度與軸向剛度比值的仿真值為1 660.4,解析值與仿真值誤差為5.23%,證明了剛度分析方法的有效性。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu),軸向調(diào)節(jié)行程為2.09 mm,繞x軸偏轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)行程為±16.6 mrad,繞y軸偏轉(zhuǎn)角度調(diào)節(jié)行程可達(dá)到±14.4 mrad,滿足光學(xué)元件調(diào)節(jié)的大行程要求。
光刻物鏡;調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu);狹縫柔性結(jié)構(gòu);剛度比;導(dǎo)向精度
提高光刻分辨率是光刻機(jī)發(fā)展的重要基礎(chǔ)[1-3],隨著分辨率的提高,光刻物鏡的像質(zhì)要求急劇提高,物鏡中光學(xué)元件調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)精度需要達(dá)到納米量級(jí)甚至亞納米量級(jí)。傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)諸如:蝸輪蝸桿、凸輪機(jī)構(gòu)、絲杠螺母、螺紋傳動(dòng)等[4-5],調(diào)節(jié)行程雖然比較大,一般為毫米量級(jí)及以上,但由于摩擦損耗、間隙等缺點(diǎn),它們的調(diào)節(jié)精度很難達(dá)到微米或者亞微米量級(jí)。為滿足光刻物鏡調(diào)節(jié)精度的要求,國內(nèi)外的有關(guān)研究院所和學(xué)者們對(duì)傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),并基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了新型的光學(xué)元件調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[6-9]。
美國Hale L等人[10-11]根據(jù)極紫外光刻(EUVL)投影物鏡的固定及裝調(diào)要求,設(shè)計(jì)了采用高分辨率的壓電螺桿驅(qū)動(dòng)的兩腳架型柔性機(jī)構(gòu),該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)三自由度(θx-θy-Z)的調(diào)節(jié)。麻省理工學(xué)院的Shi-Chi Chen和Dariusz Golda等人[12],針對(duì)用于單分子生物研究的高性能顯微鏡的光學(xué)調(diào)焦系統(tǒng)高分辨率、高精度等要求,設(shè)計(jì)了輪輻型狹縫柔性結(jié)構(gòu)的調(diào)焦機(jī)構(gòu),并分析了軸向與徑向的剛度比值。美國國家點(diǎn)火裝置(NIF)[13]的GRH診斷系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向鏡的調(diào)節(jié)中使用了平衡環(huán),而該平衡環(huán)是基于狹縫柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的,通過使用平衡環(huán)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向鏡分別繞X、Y軸的微轉(zhuǎn)動(dòng)。德國PI公司基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的柔性機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的三自由度(θx-θy-Z)定位平臺(tái),可應(yīng)用于掃描顯微鏡、干涉儀、生物技術(shù)、微操作等領(lǐng)域。國外Daniel Vukobratovich等人[14]針對(duì)光學(xué)元件的調(diào)節(jié)需求,提出了兩種狹縫柔性結(jié)構(gòu):一種是線性移動(dòng)狹縫柔性機(jī)構(gòu),另一種是二軸萬向節(jié)狹縫柔性機(jī)構(gòu)。彭海峰等人[15]基于柔性鉸鏈設(shè)計(jì)了光刻物鏡軸向精密調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),該機(jī)構(gòu)綜合運(yùn)用了柔性鉸鏈與杠桿原理和性能,并對(duì)機(jī)構(gòu)的模態(tài)以及驅(qū)動(dòng)力對(duì)光學(xué)元件面形的影響進(jìn)行了分析。郭抗等人[16]設(shè)計(jì)了一種采用6-PSS型并聯(lián)機(jī)構(gòu)的光學(xué)元件軸向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),并運(yùn)用空間矢量法確定了調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)位移的輸入-輸出關(guān)系。上述研究大部分是采用柔性機(jī)構(gòu)以達(dá)到較高的調(diào)節(jié)精度,但鮮有研究將導(dǎo)向精度作為評(píng)判柔性機(jī)構(gòu)優(yōu)劣的指標(biāo)。較高的導(dǎo)向精度可以使機(jī)構(gòu)具備極佳的運(yùn)動(dòng)解耦性能,即可以更好地約束調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)非運(yùn)動(dòng)方向的自由度。
針對(duì)光刻物鏡中光學(xué)元件調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)精度高、行程大、機(jī)構(gòu)空間有限等特點(diǎn),本文提出了一種基于同心圓形狹縫柔性結(jié)構(gòu)的三自由度(θx-θy-Z)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),并將徑向剛度與軸向剛度比值作為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo),從而實(shí)現(xiàn)較高調(diào)節(jié)精度和導(dǎo)向精度。
本文研究的光刻物鏡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由內(nèi)鏡筒、外鏡筒、狹縫柔性結(jié)構(gòu)組成,該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以由一整塊毛坯件經(jīng)車、銑、線切割等工藝加工而成,加工制作相對(duì)容易,由于內(nèi)鏡筒、外鏡筒、狹縫柔性結(jié)構(gòu)是一體化的,因此可以減少裝配環(huán)節(jié),進(jìn)而提高機(jī)械精度。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)如圖1所示。
圖1 柔性調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic diagram of the flexible mechanism
物鏡調(diào)節(jié)過程中,將外鏡筒固定,通過3個(gè)均勻分布于狹縫柔性結(jié)構(gòu)下方的驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)狹縫柔性結(jié)構(gòu)與內(nèi)鏡筒相接處,即圖1中A、B、C三點(diǎn),從而使狹縫柔性結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生彈性變形。通過控制3個(gè)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力,不僅可以實(shí)現(xiàn)物鏡的軸向調(diào)節(jié),還可以實(shí)現(xiàn)垂直于光軸的平面的偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。因此該光刻物鏡調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有三自由度(θx-θy-Z)調(diào)節(jié)功能。為達(dá)到較高的調(diào)節(jié)精度,采用3個(gè)分辨率較高的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)狹縫柔性結(jié)構(gòu),驅(qū)動(dòng)器呈等邊三角形分布在狹縫柔性結(jié)構(gòu)上,分布簡(jiǎn)圖如圖2所示,圖中A、B、C表示3個(gè)驅(qū)動(dòng)器在狹縫柔性結(jié)構(gòu)上的作用點(diǎn),若令δA、δB、δC分別表示A、B、C三點(diǎn)在驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)下的位移,則狹縫柔性結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)的光刻物鏡的軸向位移δz、偏轉(zhuǎn)角位移θx、θy為:
由式(1)可知,調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在工作過程中,通過對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的精確控制,就可以實(shí)現(xiàn)光刻物鏡在3個(gè)自由度(θx-θy-Z)上的高精度調(diào)節(jié)。
圖2 驅(qū)動(dòng)器分布示意圖Fig.2 Sketch of evenly distributed actuators
本文所設(shè)計(jì)的狹縫柔性結(jié)構(gòu)可以視為三個(gè)首尾相連的圓弧形矩形截面梁,該圓弧形梁兩端固支,因此狹縫柔性機(jī)構(gòu)的剛度可通過圓弧形梁的剛度表示出來。首先,利用彈性力學(xué)中的應(yīng)力函數(shù)法求解兩端固支的圓弧曲梁的剛度。對(duì)狹縫柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度分析,壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力作用于圓弧形梁弧長(zhǎng)的中點(diǎn),其方向沿軸向,如圖3中Fa所示,弧長(zhǎng)l=φrf,彈性模量為E。
圖3 兩端固支圓弧形梁Fig.3 Curved beam with fixed ends
固支梁的撓曲線方程如下:
式(2)、(3)中,ν為撓度。
固支梁的內(nèi)部應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表示如下:
根據(jù)塑性力學(xué)可得該固支梁的Von Mises等效應(yīng)力表達(dá)式:
由式(2)、(3)可知,圓弧形固支梁的撓度最大值發(fā)生在軸向力Fa作用處,即θ=φ/2處,同時(shí)也是狹縫柔性結(jié)構(gòu)與內(nèi)鏡筒相接處,撓度最大值為:
由式(7)可推出圓弧形固支梁的軸向剛度為:
狹縫柔性結(jié)構(gòu)的軸向剛度可由圓弧形梁的軸向力與最大撓度值表示,狹縫柔性結(jié)構(gòu)中相鄰的圓弧形梁的距離為c=αrf,其中α即圖1中所示的α,表示相鄰圓弧形梁間夾角,圓弧形梁個(gè)數(shù)為n=3,半徑為rf,因此單個(gè)圓弧形梁弧長(zhǎng)為:
狹縫柔性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生軸向位移δA,所需要的軸向力即:
因此狹縫柔性結(jié)構(gòu)的軸向剛度為:
狹縫柔性結(jié)構(gòu)的徑向剛度可由圓弧形梁的徑向剛度kr、切向剛度kt表示。狹縫柔性結(jié)構(gòu)的徑向剛度為:
其中:
將式(13)帶入式(12),可得:
光刻物鏡的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí),若調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的導(dǎo)向精度超出1 μm(平移)/1 arcsec(傾斜),將導(dǎo)致物鏡波像差劣化0.2 nm RMS以上。由此,為滿足光學(xué)元件狹縫柔性調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有較高的導(dǎo)向精度,對(duì)狹縫柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。
首先將狹縫柔性結(jié)構(gòu)的徑向剛度與軸向剛度的比值作為目標(biāo)函數(shù),以組成狹縫柔性結(jié)構(gòu)的圓弧形固支梁的半徑rf,截面參數(shù)b、h,相鄰的圓弧形固支梁間夾角α,狹縫柔性結(jié)構(gòu)的縫隙寬度d為自由變量。約束條件需要滿足下列條件:(1)調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)滿足物鏡所需要的行程,即狹縫柔性結(jié)構(gòu)的軸向剛度小于300 N/mm;(2)內(nèi)鏡筒與外鏡筒間距為37 mm,狹縫柔性結(jié)構(gòu)要處于內(nèi)鏡筒與外鏡筒之間,即對(duì)參數(shù)b、d進(jìn)行約束,即式(16)中g(shù)2(X);(3)在驅(qū)動(dòng)器滿負(fù)荷工作時(shí),狹縫柔性結(jié)構(gòu)的Von mises等效應(yīng)力值應(yīng)小于材料的許用應(yīng)力250 MPa。
將弧形梁的邊界條件帶入式(4)、(5)、(6),可得出狹縫柔性結(jié)構(gòu)的Von mises等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力作用處,其大小為:
式中,F(xiàn)a為單個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的最大有效驅(qū)動(dòng)力,l表示圓弧形梁的弧長(zhǎng)。
綜上所述,狹縫柔性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型為:
式(16)中:g3(X)中的2表示應(yīng)力集中因子。
采用matlab的優(yōu)化工具箱對(duì)上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化結(jié)果如表1所示。
表1 最優(yōu)化參數(shù)值Tab.1 Value of optimized parameters
仿真分析時(shí),將外鏡框固定,在驅(qū)動(dòng)器作用點(diǎn)施加軸向力,設(shè)置驅(qū)動(dòng)力分布在3~30 N之間,作用點(diǎn)為狹縫柔性結(jié)構(gòu)與內(nèi)鏡框相接處,可以得到驅(qū)動(dòng)力與軸向位移的關(guān)系基本呈線性,如圖4所示。對(duì)上述分析結(jié)果進(jìn)行線性擬合可知柔性結(jié)構(gòu)的軸向剛度kA_ansys=14.34 N/mm。
圖4 驅(qū)動(dòng)力與軸向位移關(guān)系Fig.4 Force vs.the axial displacement
本文所介紹的三自由度(θx-θy-Z)狹縫柔性調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)在工作過程中,垂直于軸向的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)是被約束的,由此降低耦合誤差,從而提高導(dǎo)向精度。狹縫柔性結(jié)構(gòu)的徑向剛度仿真分析,可通過將外鏡框固定,在驅(qū)動(dòng)器作用點(diǎn)施加垂直于軸向的力,設(shè)置驅(qū)動(dòng)力分布在3~24 N之間,作用點(diǎn)為狹縫柔性結(jié)構(gòu)與內(nèi)鏡框相接處??梢缘玫津?qū)動(dòng)力與徑向位移的關(guān)系基本呈線性,如圖6所示。對(duì)上述分析結(jié)果進(jìn)行線性擬合可知,狹縫柔性結(jié)構(gòu)的徑向剛度kR_ansys=23.809 N/mm。
圖5 驅(qū)動(dòng)力與徑向位移關(guān)系Fig.5 Force vs.the radial displacement
根據(jù)上述仿真分析結(jié)果可推出狹縫柔性結(jié)構(gòu)的剛度比為:
本文中的結(jié)構(gòu)模型經(jīng)式(11)、(14)可得出狹縫柔性結(jié)構(gòu)的軸向剛度與徑向剛度的解析值為:
式(18)中,dstress是應(yīng)力集中處的圓孔直徑,該圓孔是為了降低集中應(yīng)力。
由式(18)可算出狹縫柔性結(jié)構(gòu)剛度比的解析值為:
由上述剛度比的仿真值與解析值可知,狹縫柔性結(jié)構(gòu)的剛度比值較大,因此本文所設(shè)計(jì)的狹縫柔性調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以達(dá)到較高的導(dǎo)向精度,即調(diào)節(jié)過程中耦合誤差較小。
狹縫柔性結(jié)構(gòu)的性能參數(shù)解析值與仿真值如表2。從表中可以看出,性能參數(shù)的解析值與仿真值之間存在誤差,誤差源可以從兩個(gè)方面來分析:(1)從解析解角度,本文所設(shè)計(jì)的狹縫柔性結(jié)構(gòu)是3個(gè)首尾相連的圓弧形固支梁,其次,在固支梁理論分析過程中只考慮了彎矩和剪力的作用,而忽略了扭矩的作用,以至于會(huì)產(chǎn)生誤差;(2)從仿真分析角度,在仿真過程中網(wǎng)格劃分多采用四面體單元,雖然該類型的單元邊界適應(yīng)性較好,但單元精度卻不是很高,因此也會(huì)產(chǎn)生誤差,但誤差值相對(duì)較小,在允許范圍內(nèi)。因此本文剛度分析的理論推導(dǎo)部分是正確的,并對(duì)以后的狹縫柔性結(jié)構(gòu)的剛度分析有較高的參考價(jià)值。
表2 狹縫柔性結(jié)構(gòu)性能參數(shù)解析值與仿真值比照Tab.2 Comparison between performance parameters of the slit diaphragm flexures and simulation valves
當(dāng)圖2中3個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)力沿同一方向時(shí),且均在滿載的情況下,狹縫柔性結(jié)構(gòu)受到的有效軸向力為30 N,此時(shí),柔性結(jié)構(gòu)軸向位移達(dá)到最大值為2.09 mm,變形云圖如圖6所示。并且此時(shí)柔性結(jié)構(gòu)的Von Mises等效應(yīng)力最大值僅為177.23 MPa,該應(yīng)力值在所選材料的屈服強(qiáng)度以內(nèi),因此柔性結(jié)構(gòu)只產(chǎn)生彈性變形,不會(huì)產(chǎn)生屈服,更不會(huì)發(fā)生破壞,應(yīng)力云圖如圖7所示。
圖6 狹縫柔性結(jié)構(gòu)軸向位移變形云圖Fig.6 Axial deformation of the slit diaphragm flexures
圖7 狹縫柔性結(jié)構(gòu)Von Mises應(yīng)力云圖Fig.7 Von Mises stress of the slit diaphragm flexures
當(dāng)圖2中壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器A與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器B、C驅(qū)動(dòng)力方向相反時(shí),且均為滿負(fù)荷工作,即單個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器有效驅(qū)動(dòng)力為10 N,此時(shí),狹縫柔性結(jié)構(gòu)繞x軸轉(zhuǎn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)器A、B、C作用點(diǎn)位移值分別為-1.475 mm、1.755 mm、1.755 mm,將其帶入式(1)中,可得柔型結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)角θx達(dá)到最大值為16.6 mrad,變形云圖如圖8所示。
圖8 狹縫柔性結(jié)構(gòu)繞X軸偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)變形云圖Fig.8 Angle deformation of the slit diaphragm flexures around on X axis
當(dāng)圖2中壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器B、C驅(qū)動(dòng)力方向相反,且兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器均滿負(fù)荷工作,而壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器A的輸出為0時(shí),狹縫柔性結(jié)構(gòu)繞y軸轉(zhuǎn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)器A、B、C作用點(diǎn)位移值分別為0、-1.615 mm、1.615 mm,將其帶入式(1)中,可得柔性結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)角θy達(dá)到最大值為14.4 mrad,變形云圖如圖9。
由上述仿真分析可知,狹縫柔性調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)軸向調(diào)節(jié)的最大值為2.09 mm,繞x軸調(diào)節(jié)的最大值16.6 mrad,繞y軸調(diào)節(jié)的最大值為14.4 mrad,這3個(gè)值均滿足光學(xué)元件調(diào)節(jié)的大行程要求。
圖9 狹縫柔性結(jié)構(gòu)繞Y軸偏轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)變形云圖Fig.9 Angle deformation of the slit diaphragm flexures around on Y axis
本文對(duì)光刻物鏡的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究,提出了一種新型的狹縫柔性結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的徑向剛度與軸向剛度比值可以達(dá)到1 660.4。較大的剛度比很好地抑制了非自由度方向耦合位移誤差的產(chǎn)生,因此該結(jié)構(gòu)具有較高的導(dǎo)向精度。本文首先利用彈性力學(xué)的應(yīng)力函數(shù)法對(duì)狹縫柔性結(jié)構(gòu)的剛度進(jìn)行分析,然后以徑向剛度與軸向剛度的比值作為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,利用所得最優(yōu)參數(shù)對(duì)柔性結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模,使用Ansys Workbench進(jìn)行有限元仿真分析,并對(duì)比狹縫柔性結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的解析值與仿真值,結(jié)果表明軸向剛度誤差為1.92%,徑向剛度誤差為3.41%,剛度比誤差5.23%,并從兩方面分析了誤差產(chǎn)生的原因,并且誤差值在允許范圍內(nèi),由此可認(rèn)為本文采用的剛度分析方法可以為以后狹縫柔性結(jié)構(gòu)的研究提供了一定的理論基礎(chǔ)。此外,經(jīng)仿真分析可知,所研究的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)滿足光學(xué)元件調(diào)節(jié)的大行程要求。
[1] MATSUYAMA T,OHMURA Y,WILLIAMSON D M.The lithographic lens: its history and evolution[C].SPIE 31st International Symposium on Advanced Lithography(ISAL),San Jose,CA,USA,2006,6154:615403-615414.
[2] MIURA T,MURAKAMI K,SUZUKI K,etal..Nikon EUVL development progress summary[C].SPIE 31st International Symposium on Advanced Lithography(ISAL),San Jose,CA,USA,2006,6151:615105-615110.
[3] 倪明陽,鞏巖.光刻投影物鏡光學(xué)元件運(yùn)動(dòng)學(xué)支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析[J].中國光學(xué),2012,5(5):476-484.
NI M Y,GONG Y.Design and analysis of kinematic lens positioning structure in lithographic projection objective[J].ChienseOptics,2012,5(5):476-484.(in Chinese)
[4] 朱華征,范大鵬,張智永,等.精密光路偏轉(zhuǎn)及焦距調(diào)整機(jī)構(gòu)的發(fā)展[J].激光與紅外,2009,10:1028-1033.
ZHU H ZH,FAN D P,ZHANG ZH Y,etal..Development of precise light beam steering and focusing equipments[J].Laseramp;Infrared,2009,10:004.(in Chinese)
[5] 趙磊,鞏巖,趙陽.光刻投影物鏡中的透鏡X-Y柔性微動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)[J].光學(xué) 精密工程,2013,21(6):1425-1433.
ZHAO L,GONG Y,ZHAO Y.Flexure-based X-Y micro-motion mechanism used in lithographic lens[J].Opt.PrecisionEng,2013,21(6):1425-1433.(in Chinese)
[6] 荊丹.基于壓電陶瓷的超精密柔性微定位機(jī)構(gòu)的研究[D].大連:大連理工大學(xué),2007.
JING D.Research on ultra precision flexible micro-displacement mechanism of piezoelectric actuator[D].Dalian:Dalian University of Technology,2007.(in Chinese)
[7] 于靖軍,郝廣波,陳貴敏,等.柔性機(jī)構(gòu)及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2015,13:53-68.
YU J J,H G B,CHEN G M,etal..State-of-art of compliant mechanisms and their applications[J].J.MechanicalEngineering,2015,13:53-68.(in Chinese)
[8] 劉磊,曹國華.大視場(chǎng)長(zhǎng)焦面光學(xué)遙感器雙凸輪式焦面調(diào)焦機(jī)構(gòu)[J].光學(xué) 精密工程,2012,20(9):1939-1944.
LIU L,CAO G H.Double cam focusing mechanism of space camera with wide field and long-focal-plane[J].Opt.PrecisionEng.,2012,20(9):1939-1944.(in Chinese)
[9] 張新潔,顏昌翔,謝濤.星載光學(xué)遙感器調(diào)焦機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)[J].光學(xué) 精密工程,2009,17(11):2757-2761.
ZHANG X J,YAN CHANG X,XIE T.Design of focusing mechanism of space remote sensor[J].Opt.PrecisionEng.,2009,17(11):2757-2761.(in Chinese)
[10] HALE L C.Principles and techniques for designing precision machines[D].Massachusetts:Massachusetts Institute of Technology,Dept.of Mechanical Engineering,1999.
[11] TAJBAKHSH H,HALE L M,JENSEN S,etal..Three-degree-of-freedom optic mount for extreme ultraviolet lithography[C].The 13thAnnual meeting of American Society for Precision Engineering,St.Louis,USA,1998:359-362.
[12] CHEN S C,GOLDA D,HERRMANN A,etal..Design of an ultra precision diaphragm flexure stage for out-of-plane motion guidance[C].ASME 2004 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference,Salt Lake City,Utah,USA,2004:1015-1021.
[13] COX B,KAUFMAN M.Design considerations of a slit diaphragm flexure used in a precision mirror gimbal[J].ProceedingsofSPIE,2011,8125:81250R-11.
[14] VUKOBRATOVICH D,RICHARD R M,MCNIVEN J P,etal..Slit diaphragm flexures for optomechanics[C].SPIE′s 1995 International Symposium on Optical Science,Engineering,and Instrumentation,San Diego,CA,USA,1995:2-10.
[15] 彭海峰,孫振.光刻物鏡中光學(xué)元件精密軸向調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析[J].光子學(xué)報(bào),2014,4:113-117.
PENG H F,SUN ZH.Design and analysis of a precision axial adjusting mechanism for optical elements in lithographic lens[J].ActaPhotonicaSinica,2014,4: 113-117.(in Chinese)
[16] 郭抗,鞏巖.6-PSS型光學(xué)元件精密軸向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)[J].光學(xué) 精密工程,2013,21(10):2648-2655.
GUO K,GONG Y.Precise axial adjustment mechanism with 6-PSS type of optical elements[J].Opt.PrecisionEng.,2013,21(10):2648-2655.(in Chinese)
董世則(1991—),男,河南濮陽人,碩士研究生,主要從事光學(xué)精密儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及微位移方面的研究。E-mail:dongshize14@mails.ucas.ac.cn
李顯凌(1974—),男,遼寧沈陽人,副研究員,主要從事精密機(jī)械及精密光學(xué)儀器結(jié)構(gòu)等方面的研究,E-mail:lixianling@sklao.ac.cn
Designandanalysisofadjustmentmechanismwithslitdiaphragmflexuresforopticalelements
DONG Shi-ze1,2,GUO Kang1,LI Xian-ling1*,CHEN Hua-nan1,ZHANG De-fu1
(1.EngineeringResearchCenterofExtremePrecisionOptics,StateKeyLaboratoryofAppliedOptics,ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China; 2.UniversityofChineseAcademicofSciences,Beijing100049,China)
*Correspondingauthor,E-mail:lixianling@sklao.ac.cn
An adjustment mechanism with slit diaphragm flexures is designed to keep the optical elements with higher guide precision while maintaining higher accuracy of adjustment.The stiffness of the slit diaphragm flexures structure is analyzed using the elastic mechanics stress function method.The ratio of the radial stiffness to the axial rigidity is taken as the objective function to optimize the dimension parameters of the slit diaphragm flexures structure.Under the condition of not exceeding the yield stress of the flexible structure material,the optimal value of the stiffness ratio reaches 1 573.6.A larger stiffness ratio can reduce the coupling displacement of the adjustment mechanism,so as to improve the guide accuracy of the mechanism.This mechanism is easily fabricated and assembled,and allows adjustment of three degree of freedom (θx-θy-Z).The stiffness of the slit diaphragm flexure is simulated and analyzed.The results show that the ratio of radial stiffness to axial stiffness is 1 660.4,and the error between analytical value and simulation value is 5.23%,which proves the validity of the stiffness analysis method.The optimized structure has an axial adjustment stroke of 2.09 mm,an adjustment stroke of ±16.6 mrad about thex-axis deflection angle and a ±14.4 mrad deflection angle about they-axis,which satisfies the large stroke adjustment requirement of the optical element.
lithographic objective;adjustment mechanism;slit diaphragm flexures;stiffness ratio;guide precision
2017-06-11;
2017-08-13
國家科技重大專項(xiàng)(02專項(xiàng))資助項(xiàng)目(No.2009ZX02205);國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.61504142)
Supported by National Science and Technology Major Project of China(No.2009ZX02205),National Natural Science Foundation of China(No.61504142)
2095-1531(2017)06-0790-08
TH701; TH703
A
10.3788/CO.20171006.0790