一种光学元件的五自由度微动调整机构的制作方法

本发明属于精密调整技术领域，具体涉及一种光学元件的五自由度微动调整机构。

背景技术：

在光机设计中，机械结构部分的设计要保证光学零件之间的相互位置准确，在现有加工技术条件下或者在成本限制的条件下，光机结构无法靠加工满足所需要的精度，这时就需要采用调节机构对光学元件进行调整，使之满足设计精度要求，达到光学系统的最佳性能。高精度干涉仪光机系统设计中，光学元件的空间定位精度要求高，因此对用于光学元件固定支撑的机械结构精度提出了挑战，受现有机械加工设备、加工工艺、加工成本的限制，机械结构难以达到高的加工精度，这就需要采用调节装置对光学元件进行调整，以满足高精度干涉仪光学系统的性能要求。

目前，光学元件微动调整装置局限于机械调整式、压电调整式、压力调整式和磁滞伸缩式，尤其以机械调整式和压电调整式居多。采用压电式调整装置，需要配备复杂的控制系统，增加了成本和光机系统的复杂性，使得整个光机系统结构过于笨重。公开号为US6930842的美国专利，公开了一种采用压电式调整的微动调整装置，应用于日本Nikon公司的调整光刻物镜，整个调整系统结构复杂，应用了许多柔性铰机构，难以保证加工精度，虽然它的调整机构安装沿镜座切线分布，但是依然需要较大的调整空间。

对于高精度干涉仪主机结构来说，光学元件尺寸相对较小，光机结构设计中应使其：结构小巧、简洁、重量轻，容易进行环境控制，并且高精度干涉仪主机结构光学元件安装调整后一般要固定封装，避免多次调整拆装，影响光学元件的重复性定位精度。压电式调整装置，一般外形尺寸较大，放在镜框或镜座内无法取出，造成整个干涉仪主机结构尺寸过于庞大、主机结构变得复杂，不利于后期的环境控制。机械式调整装置，没有复杂的控制系统，可以根据提供的镜框或镜座的空间，设计机械式调整装置的尺寸大小，自由的设计机械式调节结构的形式，结构简洁，实现方便。公开号为US659409的美国专利公开了一种用于调整光刻物镜的机械式调整装置，该调整装置中机械式调整装置，大多采用柔性铰机构，结构简洁，成本低，容易实现。但是此发明仅限于调整光刻物镜沿光轴方向的位移和倾斜，不能沿光学元件的径向调节，可调节自由度较少。

技术实现要素：

本发明的目的在于提出一种光学元件的五自由度微动调整机构，解决现有技术存在的难以保证加工精度、占用较大的调整空间以及可调节自由度少的问题。

为实现上述目的，本发明的一种光学元件的五自由度微动调整机构包括光学元件、压框、镜框、镜座、倾斜微动调整机构和径向微动调整机构；

所述光学元件通过压框固定在镜框上，所述镜框外侧设置有镜座，所述光学元件和所述镜框连接处分别设置有一组倾斜微动调整机构，对光学元件进行倾斜调整，所述镜框和所述镜座连接处分别设置有一组径向微动调整机构，对镜框整体进行径向调整；

所述光学元件外圆周均布三个凸缘；

所述压框为外圆周均布三个凸台的环形结构；所述压框的三个凸台下端面分别和光学元件的三个凸缘上端面接触；

所述镜框为环形结构，内侧壁圆周均布三个定位滑槽，镜框内侧壁每个定位滑槽下端分别加工有支撑结构A；所述镜框下端面圆周均布三个下定位槽，每个下定位槽位于相邻两个定位滑槽之间；所述光学元件的三个凸缘下端面分别和所述支撑结构A上端面接触，凸台和凸缘与对应的定位滑槽配合；

所述镜座内侧壁圆周均布三个支撑结构B，每个支撑结构B分别和镜框下端面的一个下定位槽配合。

所述光学元件和所述镜框连接处分别设置有一组倾斜微动调整机构具体为：所述压框的每个凸台上设置有轴向的螺纹孔A，所述镜框上的每个支撑结构A上表面设置有轴向的光孔；内侧壁沿径向开有方槽，所述镜框侧壁与所述方槽对应位置开有径向的螺纹孔B；

所述倾斜微动调整机构包括压紧螺钉A、压簧A、滚珠A、微调螺钉A、倾斜微调楔块、滚珠B和挡板；所述压紧螺钉A和所述螺纹孔A螺纹连接，所述螺纹孔A下端和所述滚珠A接触，所述滚珠A下端和所述光学元件的凸缘上表面接触，所述滚珠A和所述压紧螺钉A之间设置有一个压簧A；所述挡板通过螺钉固定在所述支撑结构A内侧壁上，所述倾斜微调楔块设置在方槽中，大尺寸一端位于外侧，所述倾斜微调楔块和所述挡板之间设置有一个压簧A，所述微调螺钉A和所述镜框上的螺纹孔B螺纹连接，所述微调螺钉A端部和所述倾斜微调楔块端面接触，所述滚珠B位于所述支撑结构A上的光孔上，下端和所述倾斜微调楔块接触，上端和所述光学元件的凸缘下表面接触。

所述镜座侧壁与所述镜框上的螺纹孔B相对应位置开有槽口。

所述镜框和所述镜座连接处分别设置有一组径向微动调整机构具体为：所述镜框侧壁和所述下凹槽对应位置设置有螺纹孔C，所述镜座上的每个支撑结构B上端的镜座内侧壁上开有T型滑槽，每个所述支撑结构B上端面远离侧壁位置开有定位孔，支撑结构B内开有径向的方孔，方孔上端开孔，外侧穿过镜座外壁和外部连通；

每组所述的径向微动调整机构包括压紧螺钉B、弹片、柔性铰、微调螺钉B、径向微调楔块、压簧B、滚珠C和挡块；所述压紧螺钉B和所述螺纹孔C螺纹连接，端部和所述压框侧壁接触，所述滚珠C设置在每个支撑结构B上的定位孔中，上端和压框的下凹槽端面接触，所述径向微调楔块设置在方孔中，大尺寸一端位于外侧，所述径向微调楔块和方孔内壁之间设置有一个压簧B，所述挡块通过螺钉固定在镜座外侧壁方孔对应位置，所述微调螺钉B和所述挡块螺纹配合，端部和所述径向微调楔块接触，用于径向调节的菱形的柔性铰一端通过螺钉固定在T型滑槽的竖直槽内，另一端和所述镜框接触，下端和径向微调楔块上端面接触；具有竖直方向柔性的弹片一端固定在所述T型滑槽的水平槽内，另一端和所述镜框上端面接触。

所述柔性铰包括固定板、柔性狭缝A、径向圆弧接触点和垂向圆弧接触点；所述固定板通过螺钉固定在所述T型滑槽的竖直槽内，四组所述柔性狭缝A构成菱形结构，所述径向圆弧接触点和所述镜框的外侧壁接触，所述垂向圆弧接触点和所述径向微调楔块上端面接触。

所述弹片包括定位板和定位爪，所述定位爪一端和所述定位板的一个侧壁固定，另一端下端面为圆弧压紧点，定位板与定位爪固定的侧壁和定位板整体之间开有柔性狭缝B，所述定位板通过螺钉固定在所述T型滑槽的水平槽内，所述定位爪的圆弧压紧点和镜框上端面接触。

所述镜框上端面和所述下凹槽对应位置设置有上凹槽，所述定位爪的圆弧压紧点和所述上凹槽接触。

所述镜座上端外沿处还设置有多个圆周均布的槽孔，多个镜座同轴设置时，多个镜座位于同一轴线上的多组槽孔分别通过一个锁紧机构连接固定。

所述锁紧机构为螺杆结构，螺杆结构穿过位于同一轴线上的槽孔，两端通过螺母固定。

本发明的有益效果为：本发明的一种光学元件的五自由度微动调整机构光学元件微动调整机构为倾斜和径向调整，均为三组120°圆周分布。光学元件在加工时，圆周上留出三个均布的凸缘，用于光学元件的倾斜调整，光学元件的三个凸缘通过三个滚珠支撑在镜框凸台上，滚珠安放在镜框凸台上的小螺纹孔内，三个滚珠能保证光学元件为三点支撑，没有过约束现象。通过调节微动螺钉，推动放在镜框凸缘里的倾斜微调楔块，倾斜微调楔块滑动时推动滚珠在圆槽内上下移动，通过合理的调节三个均布的倾斜微动调整机构，实现光学元件绕X轴或Y轴的旋转，从而达到光学元件的倾斜调整；而在三个倾斜微动调整机构同步微动时，可以实现光学元件沿Z轴的平移。镜框的下端均匀分布有三个下凹槽，镜框安放在带有支撑结构的镜座上，镜框和镜座之间有三个滚珠，三个滚珠能保证镜框为三点支撑，没有过约束现象，镜座内壁均布安放有三个柔性铰机构，柔性铰一个端面紧靠在镜框外圆柱壁上，通过调整安放在镜座支撑结构内的径向微调楔块，径向微调楔块沿光学元件的径向滑动，推动柔性铰上下运动，柔性铰为菱形结构，柔性铰的上下运动就转化为镜框的径向运动，光学元件和镜框此时相对固定，从而调整光学元件的径向运动，合理的调整三个径向微动调整机构，就能使光学元件沿X轴和Y轴平移。

本发明采用楔块与滚珠和柔性铰等结构组合，实现低成本高精度的透镜元件的径向和倾斜调整，采用压簧来防止调整机构产生回程误差；并且微调螺钉孔均在镜座外圆柱面上，安装后调整方便，也便于实现多个透镜组组合在一起调整。本发明中的结构件分别加工，容易保证加工精度，调整过程中径向调整和倾斜调整均在镜座外壁处实现，避免占用较大的调整空间，可调节自由度多。

附图说明

图1为本发明的一种光学元件的五自由度微动调整机构对光学元件调整的五个自由度示意图；

图2为本发明的一种光学元件的五自由度微动调整机构示意图；

图3为本发明的一种光学元件的五自由度微动调整机构中压框、镜框和镜座安装爆炸图；

图4为本发明的一种光学元件的五自由度微动调整机构中光学元件结构示意图；

图5为本发明的一种光学元件的五自由度微动调整机构中压框结构示意图；

图6为本发明的一种光学元件的五自由度微动调整机构中镜框结构示意图；

图7为本发明的一种光学元件的五自由度微动调整机构中镜座结构示意图；

图8为本发明的一种光学元件的五自由度微动调整机构结构剖视图；

图9为本发明的一种光学元件的五自由度微动调整机构中倾斜微动调整机构示意图；

图10为本发明的一种光学元件的五自由度微动调整机构中径向微动调整机构示意图；

图11为本发明的一种光学元件的五自由度微动调整机构中柔性铰结构示意图；

图12为本发明的一种光学元件的五自由度微动调整机构中弹片结构示意图；

图13为本发明的一种光学元件的五自由度微动调整机构中径向微调楔块结构示意图；

图14为本发明的一种光学元件的五自由度微动调整机构中挡块结构示意图；

图15为多个本发明的一种光学元件的五自由度微动调整机构同轴连接结构示意图；

其中：1、光学元件，101、凸缘，2、压框，201、凸台，202、螺纹孔A，3、镜框，301、定位滑槽，302、支撑结构A，303、光孔，304、方槽，305、螺纹孔B，306、上凹槽，307、下凹槽，308、螺纹孔C，4、镜座，401、支撑结构B，402、定位孔，403、方孔，404、T型滑槽，405、槽口，406、槽孔，5、倾斜微动调整机构，501、压紧螺钉A，502、压簧A，503、滚珠A，504、滚珠B，505、微调螺钉A，506、倾斜微调楔块，507、挡板，6、径向微动调整机构，601、压紧螺钉B，602、弹片，6021、定位板，6022、定位爪，6023、圆弧压紧点，6024、柔性狭缝B，603、柔性铰，6031、固定板，6032、柔性狭缝A，6033、径向圆弧接触点，6034、垂向圆弧接触点，604、微调螺钉B，605、挡块，606、径向微调楔块，607、压簧B，608、滚珠C，7、锁紧机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1，本发明的一种光学元件1的五自由度微动调整机构可以实现光学元件1沿X轴、Y轴、Z轴的位移调整和绕X轴、Y轴的倾斜调整，特别适用于高精度干涉仪主光路系统中各光学元件1的精密调整定位。进行光学元件1倾斜和径向调整的微动调整机构的调整螺钉都在镜座4的外圆柱表面，这样就可以把几组光学元件1的微动调节机构组合在一起，对各个光学元件1单独进行调整。

参见附图2-附图7，本发明的一种光学元件1的五自由度微动调整机构包括光学元件1、压框2、镜框3、镜座4、倾斜微动调整机构5和径向微动调整机构6；

所述光学元件1通过压框2固定在镜框3上，所述镜框3外侧设置有镜座4，所述光学元件1和所述镜框3搭接处分别设置有一组倾斜微动调整机构5，对光学元件1进行倾斜调整，所述镜框3和所述镜座4连接处分别设置有一组径向微动调整机构6，对镜框3整体进行径向调整；

所述光学元件1外圆周均布三个凸缘101；

所述压框2为外圆周均布三个凸台201的环形结构；所述压框2的三个凸台201下端面分别和光学元件1的三个凸缘101上端面接触；

所述镜框3为环形结构，内侧壁圆周均布三个定位滑槽301，镜框3内侧壁每个定位滑槽301下端分别加工有支撑结构A302；所述镜框3下端面圆周均布三个下定位槽，每个下定位槽位于相邻两个定位滑槽301之间；所述光学元件1的三个凸缘101下端面分别和所述支撑结构A302上端面接触，凸台201和凸缘101与对应的定位滑槽301配合；

所述镜座4内侧壁圆周均布三个支撑结构B401，每个支撑结构B401分别和镜框3下端面的一个下定位槽配合。

参见附图8和附图9，所述光学元件1和所述镜框3搭接处分别设置有一组倾斜微动调整机构5具体为：所述压框2的每个凸台201上设置有轴向的螺纹孔A202，所述镜框3上的每个支撑结构A302上表面设置有轴向的光孔303，和螺纹孔A202相对应；内侧壁沿径向开有方槽304，所述镜框3侧壁与所述方槽304对应位置开有径向的螺纹孔B305；

所述倾斜微动调整机构5包压紧螺钉A501、压簧A502、滚珠A503、微调螺钉A505、倾斜微调楔块506、滚珠B504和挡板507；所述压紧螺钉A501和所述螺纹孔A202螺纹连接，所述螺纹孔A202下端和所述滚珠A503接触，所述滚珠A503下端和所述光学元件1的凸缘101上表面接触，所述滚珠A503和所述压紧螺钉A501之间设置有一个压簧A502；所述挡板507通过螺钉固定在所述支撑结构A302内侧壁上，所述倾斜微调楔块506设置在方槽304中，大尺寸一端位于外侧，所述倾斜微调楔块506和所述挡板507之间设置有一个压簧A502，所述微调螺钉A505和所述镜框3上的螺纹孔B305螺纹连接，所述微调螺钉A505端部和所述倾斜微调楔块506端面接触，所述滚珠B504位于所述支撑结构A302上的光孔303上，下端和所述倾斜微调楔块506接触，上端和所述光学元件1的凸缘101下表面接触。当调整透镜绕X轴或Y轴旋转时，旋进微调螺钉使其推动倾斜微调楔块506沿透镜径向方向滑动，此时压簧A502压缩，对倾斜微调楔块506产生的推力能有效防止微调螺钉A505由于螺纹间隙产生的空程和跳动，倾斜微调楔块506径向滑动推动滚珠B504在镜框3的光孔303内向上运动，滚珠B504推动光学元件1的凸缘101向上运动，从而使光学元件1发生微小倾斜，通过合理的调整三个均布的倾斜微动调整机构5，就能使透镜绕X轴或者Y轴旋转，达到所需要的透镜倾斜精度要求。光学元件1的凸缘101向上运动的同时，推动滚珠A503向上运动，滚珠A503向上的运动使对应的压簧A502产生了对滚珠A503的压力，滚珠A503和滚珠B504对光学元件1始终有着压紧力，保证光学元件1调整后的位置稳定。当三个圆周均布的倾斜微动调整机构5的微调螺钉A505同步旋进或者旋出时，则可使光学元件1沿着Z轴上下平移，达到相邻两个透镜组之间距离精度的要求。

所述镜座4侧壁与所述镜框3上的螺纹孔B305相对应位置开有槽口405。留出空间，供调节安装在镜框3上的调节螺钉A之用。

参见附图10、附图13和附图14，所述镜框3和所述镜座4搭接处分别设置有一组径向微动调整机构6具体为：所述镜框3侧壁和所述下凹槽307对应位置设置有螺纹孔C308，所述镜座4上的每个支撑结构B401上端的镜座4内侧壁上开有T型滑槽404，每个所述支撑结构B401上端面远离侧壁位置开有定位孔402，支撑结构B401内开有径向的方孔403，方孔403上端开孔，外侧穿过镜座4外壁和外部连通；

每组所述的径向微动调整机构6包括压紧螺钉B601、弹片602、柔性铰603、微调螺钉B604、径向微调楔块606、压簧B607、滚珠C608和挡块605；所述压紧螺钉B601和所述螺纹孔C308螺纹连接，端部和所述压框2侧壁接触，所述滚珠C608设置在每个支撑结构B401上的定位孔402中，上端和压框2的下凹槽307端面接触，所述径向微调楔块606设置在方孔403中，大尺寸一端位于外侧，所述径向微调楔块606和方孔403内壁之间设置有一个压簧B607，所述挡块605通过螺钉固定在镜座4外侧壁方孔403对应位置，所述微调螺钉B604和所述挡块605螺纹配合，端部和所述径向微调楔块606接触，用于径向调节的菱形的柔性铰603一端通过螺钉固定在T型滑槽404的竖直槽内，另一端和所述镜框3接触，下端和径向微调楔块606上端面接触；具有竖直方向柔性的弹片602一端固定在所述T型滑槽404的水平槽内，另一端和所述镜框3上端面接触。进行光学元件1的径向调整时，旋进微调螺钉B604推动径向微调楔块606沿透镜径向滑动，压簧B607保证调整时微调螺钉B604没有空程和跳动现象，径向微调楔块606径向滑动，推动柔性铰603的垂向圆弧接触点6034向上运动，柔性铰603产生变形向上移动，柔性铰603的径向圆弧接触点6033就推动镜框3外壁沿光学元件1径向移动；滚珠C608安放在镜座4的定位孔402中，滚珠C608支撑镜框3的下端面，保证镜框3为三点支撑且能沿透镜径向滑动，镜框3上端面被弹片602压紧，压紧螺钉B601安装在镜框3的螺钉孔C上，且压紧螺钉B601顶住压框2，透镜、压框2、镜框3就相对固定，这样镜框3的径向移动就变成透镜的径向移动。通过合理的调整圆周均布的三个径向微动调整机构6就能使光学元件1沿着X轴、Y轴移动，达到透镜所需要的位置精度要求。

参见附图11，所述柔性铰603包括固定板6031、柔性狭缝A6032、径向圆弧接触点6033和垂向圆弧接触点6034；所述固定板6031通过螺钉固定在所述T型滑槽404的竖直槽内，四组所述柔性狭缝A6032构成菱形结构，当垂向圆弧接触点6034垂直上下运动时，会使径向圆弧接触点603330产生水平的运动，所述径向圆弧接触点6033和所述镜框3的外侧壁接触，所述垂向圆弧接触点6034和所述径向微调楔块606上端面接触。

参见附图12，所述弹片602包括定位板6021和定位爪6022，所述定位爪6022一端和所述定位板6021的一个侧壁固定，另一端下端面为圆弧压紧点6023，定位板6021与定位爪6022固定的侧壁和定位板6021整体之间开有柔性狭缝B6024，所述定位板6021通过螺钉固定在所述T型滑槽404的水平槽内，所述定位爪6022的圆弧压紧点6023和镜框3上端面接触。

所述镜框3上端面和所述下凹槽307对应位置设置有上凹槽306，所述定位爪6022的圆弧压紧点6023和所述上凹槽306接触。

所述镜座4上端外沿处还设置有多个圆周均布的槽孔406，多个镜座4同轴设置时，多个镜座4位于同一轴线上的多组槽孔406分别通过一个锁紧机构7连接固定。

安装时，先安装好镜框3的倾斜微动调整机构5，然后把光学元件1安装在镜框3中，再把压框2安装在镜框3中，用压紧螺钉A501锁死压框2；镜框3坐在安装好滚珠C608和径向微动调整机构6的镜座4中，用弹片602把镜框3固定。

参见附图15，所述锁紧机构7为螺杆结构，螺杆结构穿过位于同一轴线上的槽孔406，两端通过螺母固定。