可实现温度精准原位探测的镜头结构及其温度补偿方法与流程

本发明属于光学镜头技术领域，涉及一种可实现温度精准原位探测的镜头结构及其温度补偿方法。

背景技术：

显微物镜作为先进光学系统在生物学、计量学以及半导体检测等领域中的应用愈发广泛。随着人类探索领域不断地向更加微观的领域前进，对先进光学系统提出了越来越高的需求，一方面：对光学元件精度要求高，如应用在基因测序仪、光刻机、晶元缺陷检测等领域的先进光学系统，均对光学元件单面面形提出了1/100～1/500波长(常规系统光学元件单面面形1/5～1/20波长)，精度相对常规系统提升至少20倍，光学系统整机精度接近衍射极限，环境温度漂移等在常规系统中可以不予考虑，但是对于上述高精度显微先进光学系统，温度波动带来的缺失是毁灭性的。另一方面：在保证高精度的同时，还要兼备稳定性，能维持高精度长时间的工作状态。

对先进光学系统稳定性影响最大的因素之一就是温度，而实现温控的第一前提就是温度探测，传统的温度探测镜头结构，将测温点放在工作环境中或放在镜头外壁上，就认为实现了测得的温度就是先进光学系统的温度，但是难以实时的、真实的反应先进光学系统的实际温度，导致的问题就是测得的温度数据与镜头像质等光学特性的实时变化不吻合，对于高精度系统是不适用的，因此，对于能够实现在先进光学系统温度原位测量的精准探测装置提出了迫切需求。

先进光学系统不仅精度要求高，对于在高精度状态下的稳定性也提出了非常高的要求，如应用在基因测序仪、光刻机、晶元缺陷检测等领域的先进光学系统，其光学元件的面形精度相对常规系统提升至少20倍，其对于环境扰动是非常敏感的，不仅是光学元件，当精度提升至极限后，镜头整机的稳定性也是需要环境综合控制去辅助实现。现有的先进光学系统，如高端显微物镜，多数都是作为光刻物镜应用在光刻机的研制当中，而且其结构非常复杂。

基于上述描述，现有镜头结构往往缺失对环境温度和光学系统温度的监测功能，而一般温感装置也只能反映外部测温点的温度，缺少对先进光学系统内部温度的实时的、真实探测能力。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种可实现温度精准原位探测的镜头结构及其温度补偿方法。

为了解决上述技术问题，本发明的可实现温度精准原位探测的镜头结构包括镜筒，沿光轴方向依次设置的镜片，原位测温模块和精密调整模块；所述的镜筒包括依次连接的多个单段镜筒；原位测温模块包括沿各镜片圆周方向均布的四个测温单元；精密调整模块包括沿偏心补偿环节镜片圆周方向均布的四个偏心调整单元4.1，和设置在间隔补偿环节相邻两个单段镜筒相接处内侧的四个间隔调整单元4.2，四个间隔调整单元4.2沿圆周方向均布。

所述的四个测温单元通过与单段镜筒螺纹连接镶嵌在单段镜筒的凹槽中，同时与对应镜片紧密接触。

所述的偏心调整单元4.1和间隔调整单元4.2采用驱动装置。

所述的驱动装置包括压电驱动器4.1.1、导向平台4.1.2及安装凹槽；导向平台4.1.2的四周通过铰链与安装凹槽内侧壁连接；压电驱动器4.1.1的后端抵在安装凹槽的底部，前端顶在导向平台4.1.2的后面。

上述可实现温度精准原位探测镜头结构的温度补偿方法如下：

将每个镜片均布的4个测温单元测得的温度取平均值作为对应镜片的平均温度，当镜片间存在轴向温度梯度时，根据轴向温度梯度数据控制间隔调整单元4.2驱动对应间隔补偿环节的单段镜筒向温度较低的方向移动设定距离进行补偿；

当偏心补偿环节镜片存在径向温度梯度时，根据径向温度梯度数据，控制偏心调整单元4.1驱动该镜片向温度低的一侧移动设定距离进行补偿。

本发明通过对每一具体光学镜片设计原位测温模块对每一光学镜片进行原位实时的温度数据掌控，可以实时对镜头从上到下，从里到外的温度数据进行原位探测和分析，通过制定温度补偿策略，调整结构上预制的高精度补偿装置，对补偿环节的偏心、倾斜和间隔进行调整，实现对温度变化造成的像质降低进行补偿，使镜头成像始终维持不变。

本发明通过联合镜筒结构布局综合规划测温模块，通过原位测温模块精准探测光学镜片实际真实温度，根据原位温度变化进行补偿，一方面实现了对光学系统真实温度的原位探测，对镜头整机的温变、温漂、温冲能实时实现精准判定，实现了高精度先进光学系统的温度综合信息反馈；另一方面，通过精密调整装置对原位探测的温度信息进行实时补偿，拓宽了镜头对温变的耐受能力，为实现镜头高精度长期稳定工作提供了有力支撑。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的整体结构剖视图。

图2是本发明的右视图。

图3是驱动装置原理示意图。

图4是热源与镜头相对位置示意图。

图5是径向温变示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的可实现温度精准原位探测的镜头结构，包括镜筒，沿光轴方向依次设置的镜片，原位测温模块和精密调整模块。

所述的镜筒包括依次连接的多个单段镜筒；原位测温模块包括沿各镜片圆周方向均布的四个测温单元3.1、3.2，3.3，3.4，四个测温单元通过与单段镜筒螺纹连接镶嵌在单段镜筒的凹槽中，同时与对应镜片紧密接触组成原位测温模块；精密调整模块包括沿偏心补偿环节镜片圆周方向均布的四个偏心调整单元4.1、设置在间隔补偿环节单段镜筒内侧的间隔调整单元4.2，能够精确调整作为补偿环节镜片的偏心、倾斜和间隔。原位测温模块与精密调整模块联动，能够实时精准探测镜头温度综合信息，并及时补偿调整。

如图1、2所示，在镜头结构的前部，a单段镜筒1.1与b单段镜筒1.2为间隔补偿环节单段镜筒；相邻的a镜片2.1、b镜片2.2、c镜片2.3和d镜片2.4固定在a单段镜筒1.1内，a单段镜筒1.1与b单段镜筒1.2通过螺栓以及弹簧垫片连接；四个间隔调整单元4.2沿圆周均布在a单段镜筒1.1与b单段镜筒1.2的相接位置。在镜头结构的后部，e镜片2.5为偏心补偿环节镜片，沿e镜片2.5圆周方向均布四个偏心调整单元4.1，四个偏心调整单元4.1嵌入在对应的c单段镜筒1.3内侧壁的凹槽内。

所述的偏心调整单元4.1采用驱动装置；如图3所示，驱动装置包括压电驱动器4.1.1、导向平台4.1.2及安装凹槽；导向平台4.1.2的四周通过铰链与安装凹槽内侧壁连接；压电驱动器4.1.1的后端抵在安装凹槽的底部，前端顶在导向平台4.1.2的后面，导向平台4.1.2的前面顶在e镜片2.5的固装结构1.3.1上；其中安装凹槽为c单段镜筒1.3内侧壁上加工的凹槽；压电驱动器4.1.1通过动力输出，推动导向平台4.1.2移动，由于铰链的作用，导向平台4.1.2只能按照径向移动，可实现偏心的精密微调。

所述的间隔调整单元4.2采用与偏心调整单元4.1结构相同的驱动装置；a单段镜筒1.1与b单段镜筒1.2相接处设置环形固定结构4.2.1，压电驱动器4.1.1镶嵌在环形固定结构4.2.1的凹槽(该凹槽可作为驱动装置的安装凹槽)内，且其后端抵在凹槽的底部，前端顶在导向平台4.1.2的后面；导向平台4.1.2的前面顶在a单段镜筒1.1垂直内壁上。压电驱动器4.1.1通过动力输出，推动导向平台4.1.2移动，由于铰链的作用，导向平台4.1.2只能按照轴向移动，实现镜片间间隔的精密微调。其中的四个间隔调整单元4.2的压电驱动器移动同样距离可调整镜片之间的间隔。

上述可实现温度精准原位探测镜头结构的温度补偿方法如下：

整个镜头结构中，每个镜片都均布了原位测温模块，但并不是每个镜片都存在移动调整的需要，而只需要对补偿环节的镜片进行移动调整。如图1中所示，靠左侧的e镜片2.5作为偏心补偿环节，其圆周方向设置偏心调整单元4.1，而靠近图中右侧的a单段镜筒1.1与b单段镜筒1.2相接处作为间隔补偿环节，设置间隔调整单元4.2。考虑到高端显微或光刻镜头的应用，均处在环境温度控制的优良环境中，因此可以排除小范围温度冲击的情况(即镜头结构中某个镜片的温度在整机温度中产生奇异点)，则所有的原位测量温度数据均可分解成两种情况的叠加：轴向温度梯度、径向温度梯度，如图4所示，比如在镜头结构1的如图位置出现热源5，热量从这一位置向镜头流动，产生的温度梯度可分解成轴向和径向的，温度沿箭头方向是更低的。

轴向温度梯度对镜头整机波像差的影响是，主要是球差变化量比较大，这时采用间隔调整单元4.2，驱动4个压电驱动器进行补偿调整，温度每升高1℃，压电驱动器驱动a单段镜筒1.1向温度较低的方向移动0.65μm去进行补偿；

将每个镜片均布的4个测温单元测得的温度差异剥离(即取平均值作为对应镜片的平均温度)后，仅关注轴向温度梯度，当镜头结构的最右侧镜片温度高于最左侧镜片温度，差值达到1℃时，调整间隔调整单元4.2，4个压电驱动器联动，同时移动0.65μm去进行补偿，即安装在a单段镜筒1.1内的镜片整体向右侧移动(倾斜未变化)0.65μm。同理，当差值达到0.5摄氏度时，移动0.325μm，即补偿量为0.65μm/℃。如右侧镜片温度低于左侧镜片温度，则移动方向相反。

径向温度梯度对镜头整机波像差的影响是，主要集中在温变的半径方向，慧差的变化量较大，这时采用偏心调整单元4.1，驱动4个压电驱动器联动，使e镜片2.5沿温变半径方向运动，如图5所示，e镜片2.5上面一侧相对于下面一侧的温度梯度为1℃，压电驱动器驱动e镜片2.5向温度低的一侧移动0.54μm去进行补偿，即补偿量为0.54μm/℃。

上述实施例只是示意性的，根据光学设计，通常不需要每个镜片都设置调整环节，其中光学设计会筛选出对偏心和间隔等目标值敏感的镜片，当选一个镜片够用时，不会设置多余的调整环节；如图1中仅调整e镜片2.5的偏心，以及调整a单段镜筒1.1内镜片的位置。根据需求也可以给多个镜片设置偏心调整单元和/或间隔调整单元，需要结合具体的光学设计来实现。

本发明针对镜头结构中的每个镜片，镜片的外圆周布置四个测温单元，四个测温单元沿圆周方向均布，且测温单元的温感面与镜片紧密接触，实时的原位探测镜片的温度变化。在单段镜筒中，沿圆周方向均布四个凹槽，测温单元的一侧镶嵌在单段镜筒的凹槽中，通过螺纹旋合的方式与单段镜筒相连接，实现紧密固定。由于测温单元与单段镜筒的有机融合，即实现了原位测温，同时不影响镜片的集成。同时，结合光学设计预留的补偿环节，设置精密调整模块，能够精确调整作为补偿环节的镜片的偏心、间隔。镜头结构的温度综合信息包含内外上下等各位置的温度，温变与温冲等一目了然，通过补偿调整机制，针对温度变化进行补偿调整，两大模块联动，实现了高端显微物镜等先进光学系统的综合温度反馈及补偿调整，延伸了高精度镜头对环境温度的适应性，为实现镜头高精度长期稳定工作提供有力支撑。