CN209545464U - 真空环境下光学元件多自由度精密调整装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种真空环境下光学元件多自由度精密调整装置，属于精密调整机构的技术领域。偏转角度精密调整组件通过预紧套筒与输出轴相连，旋动预紧套筒利用锥面自定心，实现对偏转角度精密调整组件的预紧，使其与连接套筒紧密接触；钳位自锁组件通过螺栓固连在连接套筒的凸缘上，并利用半球形接触件与筒壁紧密接触实现自锁，筒壁两端分别与连接端盖I、II相连，通过连接端盖I与外部宏观调整定位平台相固连。优点在于：采用模块化设计思想，结构紧凑，无需手动调节且调整定位精度可达纳米级，既能够兼顾空间狭小的局限，又能够兼容真空密封环境，可作为激光干涉仪***专用精密光学元件的位姿调整，实用性更强。

Description

真空环境下光学元件多自由度精密调整装置

技术领域

本实用新型涉及精密调整机构的技术领域，特别涉及一种真空环境下光学元件多自由度精密调整装置。本实用新型可同时实现轴向大行程直线移动和偏转角度连续可调，具有很高的调整分辨率，可用于实现光学元件的快速精确定位。

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对位置准确，在现有加工技术条件下或者成本限制的条件下，光机结构无法仅依靠加工满足所需要的精度，尤其涉及真空环境下光机***组件的精密调整困难，这时就需要采用调整机构对光学元件位置进行自动调整，使之满足设计精度要求，达到光学***的最佳性能。调整装置一般包括角度调整和位移调整，根据调整维数的不同可以分为单维调整装置和多维调整装置，同时根据调整装置驱动形式的不同又可以分为机械调整式、压电调整式和磁致伸缩调整式等有限几种。目前，光学元件精密调整装置以机械调整式和压电调整式为主。

采用机械调整装置，应用精密细牙螺纹驱动，压缩弹簧复位并通过绕单个球铰的旋转运动，实现对光学元件多自由度的精密定位，如中国专利(CN 100414347 C)涉及一种具有结构紧凑、占空比小、性价比高等优点的精密光学调整架，利用球头-V型槽-平面结构调整光学元件的六个自由度并能满足较高的调整分辨率、正交性和稳定性要求。然而，机械调整装置需要手动操作，显然受限于真空密闭环境下的光机元件精密调整，比如用于真空环境下低温纳米压痕测试装置，压入深度在线溯源的激光干涉仪***中光学元件位姿调整，由于考虑到纳米压痕测试装置位移分辨率已达到纳米级，而利用传统机械调整装置远不能满足多维纳米定位精度的要求；同时由于安装空间所限，光学元件调整装置要能够大行程位移调整。

采用压电调整装置，利用压电驱动器配合柔性铰链机构，可兼容真空环境，且相比于滚珠丝杠、凸轮等传统机械调整机构不存在间隙、无需润滑且无需经常性维修，因此被广泛的应用于光学元件的高准确度调整装置，如中国专利(CN 103472555B)涉及一种可用于光刻投影物镜***中双电机光学元件轴向调整装置，采用柔性铰链与高精度的压电驱动器相结合的方式，可实现光学元件快速精密调整，具有整体结构紧凑，所需电机数量少，结构简单，加工成本低等优点。然而，压电调整装置需要配备复杂的控制***，增加了成本和光机***的复杂性，且由于其外形尺寸较大，调整行程较小，故不宜单独应用在真空环境下激光干涉仪***中光学元件位姿调整。

综上，可以看出，现有设计方案往往很难兼容真空环境，突出体现在用于压入深度在线溯源的激光干涉仪***中光学元件位姿调整，需要同时兼顾调整空间狭小、轴向大行程位移可调以及光学元件偏转角度连续可调等功能。因此，设计研发用于真空环境下激光干涉仪***专用精密光学元件位姿调整装置是十分必要的。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种真空环境下光学元件多自由度精密调整装置，解决了现有光学元件调整装置存在的上述不足。本实用新型采用模块化设计思路，结构紧凑，兼容真空等密封环境，同时兼顾调整空间狭小，并具有轴向位移调整行程大和偏转角度连续可调的优势，尤其为真空环境下激光干涉仪***中专用精密光学元件位姿调整提供一种可用方案。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

真空环境下光学元件多自由度精密调整装置，包括连接端盖I1、轴向大行程位移调整组件、偏转角度精密调整组件5、连接套筒6、钳位自锁组件7、筒壁8、连接端盖II9、输出轴14、预紧套筒16和光学安装组件，所述偏转角度精密调整组件5通过预紧套筒16与输出轴14相连，旋动预紧套筒16利用锥面自定心，实现对偏转角度精密调整组件5的预紧，使其与连接套筒6紧密接触；所述钳位自锁组件7通过螺栓固连在连接套筒6的凸缘上，并利用半球形接触件与筒壁8紧密接触实现自锁，筒壁8两端分别与连接端盖I1、连接端盖II9相连，通过连接端盖I1与外部宏观调整定位平台相固连。

所述的轴向大行程位移调整组件是：由磁体I17、磁体II18、筒壁8及固连在连接端盖I1上的线圈2构成磁钢移动型电磁驱动单元，其中磁体I(17)通过盖板I(3)轴向定位，磁体II(18)通过盖板II(19)轴向定位，同时为保证磁体II18位移行程不超出线圈2长度限制，利用挠性轴承4进行轴向限位；连接套筒6通过轴承I13和轴承II15支撑在输出轴14上，并与筒壁8过渡配合。

所述的偏转角度精密调整组件5是：柔性铰链I54设计有三组互成120°的刚性梁，刚性梁两侧对称分布两组柔性放大机构，接触点55位于柔性铰链I54外侧曲率渐变的曲面上，利用两侧柔性梁的刚度不一致，实现柔性放大机构绕双曲线型铰链产生微小偏转，通过三组柔性放大机构实现单一方向的偏转角度调整；柔性铰链I54为直角型铰链，在预紧过程中径向预紧力沿刚性梁施加在接触点55上，实现接触预紧力连续可调；三组用于实现顺时针偏转运动的柔性放大机构凹槽中安放压电叠堆I51，同理另外三组用于实现逆时针偏转运动的柔性放大机构凹槽中安放压电叠堆II53，并利用预紧垫片I52对压电叠堆I51和压电叠堆II53进行预紧。

所述的钳位自锁组件7包括四组对称布置的柔性铰链II72，其中四组压电叠堆III71放置在柔性铰链II72的安装凹槽内，并通过预紧垫片II73实现预紧；压电叠堆III71断电时，保证柔性铰链II72端部半球形接触件与筒壁8紧密接触实现连接套筒6轴向自锁，进而实现与输出轴14相连的光学安装组件轴向位置的精确定位；压电叠堆III71通电时，柔性铰链II72端部半球形接触件与筒壁8分离，通过信号时序控制实现输出轴14轴向位移与偏转角度调整。

所述的光学安装组件是：光学元件11通过紧定螺钉紧固在光学元件安装架10上，利用锁紧螺母12将光学元件安装架10与输出轴14端部相连。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型结构简单，布局紧凑，基于磁钢移动型电磁驱动单元和压电叠堆-柔性铰链实现混合驱动方式，无需手动调节且调整定位精度可达纳米级，既能够兼顾调整空间狭小的局限，又能够兼容真空密封环境，可作为激光干涉仪***专用精密光学元件位姿调整装置，实用性强。

2、本实用新型采用模块化设计，以轴向大行程位移调整组件为基础，结合偏转角度精密调整组件用于实现轴向位移调整行程大、偏转角度顺/逆时针连续可调，利用钳位自锁组件实现断电轴向自锁精确定位，同时模块化设计也有利于整机组合安装、改进优化及维护保养。

3、本实用新型提供的磁钢移动型电磁驱动单元，可消除传统音圈电机线圈通电散热困难及导线布置困难等问题，利用混合驱动方式，通过信号时序控制实现光学安装组件连续位姿调整，改变连续锯齿驱动波形的电压幅值和频率，实现输出性能的电气控制调整。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型的整体结构轴测图；

图2为本实用新型的轴向大行程位移调整结构轴测图；

图3为本实用新型的偏转角度精密调整结构轴测图；

图4为本实用新型的偏转角度调整铰链正视图；

图5为本实用新型的偏转角度调整铰链径向预紧剖视图；

图6为本实用新型的钳位自锁机构正视图；

图7为本实用新型的时序控制图；

图8为本实用新型的光学元件位姿调整工作流程框图；

图9为本实用新型在真空环境下激光干涉仪***中专用精密光学元件位姿调整工作原理图。图中：01、光学元件精密调整装置；1、连接端盖I；2、线圈；3、盖板I；4、挠性轴承；5、偏转角度精密调整组件；51、压电叠堆I；52、预紧垫片I；53、压电叠堆II；54、柔性铰链I；55、接触点；6、连接套筒；7、钳位自锁组件；71、压电叠堆III、72、柔性铰链II；73、预紧垫片II；8、筒壁；9、连接端盖II；10、光学元件安装架；11、光学元件；12、锁紧螺母；13、轴承I；14、输出轴；15、轴承II；16、预紧套筒；17、磁体I；18、磁体II；19、盖板II；20、双自由度精密定位平台；21、激光干涉仪；22、光路；23、输出轴线；24、压头反射棱面；25、压杆。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图6所示，本实用新型的真空环境下光学元件多自由度精密调整装置，采用模块化设计思想，结构紧凑，无需手动调节且调整定位精度可达纳米级，既能够兼顾空间狭小的局限，又能够兼容真空密封环境，可作为激光干涉仪***专用精密光学元件的位姿调整，实用性更强。本实用新型利用磁钢移动型电磁驱动单元实现轴向大行程位移调整；利用偏转角度精密调整组件实现偏转角度顺/逆时针连续可调；利用钳位自锁组件实现断电轴向自锁精确定位。包括连接端盖I1、轴向大行程位移调整组件、偏转角度精密调整组件5、连接套筒6、钳位自锁组件7、筒壁8、连接端盖II9、输出轴14、预紧套筒16和光学安装组件，所述偏转角度精密调整组件5通过预紧套筒16与输出轴14相连，旋动预紧套筒16利用锥面自定心，实现对偏转角度精密调整组件5的预紧，使其与连接套筒6紧密接触；所述钳位自锁组件7通过连接螺栓固连在连接套筒6的凸缘上，并利用半球形接触件与筒壁8紧密接触实现自锁，其中筒壁8两端分别与连接端盖I1和连接端盖II9相连，通过连接端盖I1可与外部宏观调整定位平台相固连。

所述轴向大行程位移调整组件，主要由线圈2、盖板I3、挠性轴承4、轴承I13、轴承II15、磁体I17、磁体II18和盖板II19组成；线圈2固连在连接端盖I1上，同时与由盖板I3轴向定位的磁体I17、通过盖板II19轴向定位的磁体II18和筒壁8构成磁钢移动型电磁驱动单元，其中为保证磁体II18位移行程不超出线圈2长度限制，利用挠性轴承4进行轴向限位；连接套筒6通过轴承I13和轴承II15支撑在输出轴14上，并与筒壁8过渡配合起到导向功能，因此要保证连接套筒6与筒壁8的同轴度要求。

所述的偏转角度精密调整组件5，由压电叠堆I51、预紧垫片I52、压电叠堆II53和柔性铰链I54组成；柔性铰链I54设计有三组互成120°的刚性梁，每两组柔性放大机构对称分布在刚性梁两侧，接触点55位于柔性铰链I54外侧曲率渐变的曲面上，利用两侧柔性梁的刚度不一致，实现柔性放大机构绕双曲线型铰链产生微小偏转，通过三组柔性放大机构实现单一方向的偏转角度调整；柔性铰链I54设计有改进型直角型铰链，在预紧过程中径向预紧力沿刚性梁施加在接触点55上，实现接触预紧力连续可调；三组顺时针偏转柔性放大机构凹槽中安放压电叠堆I51，同理三组逆时针偏转柔性放大机构凹槽中安放压电叠堆II53，并利用不同厚度的预紧垫片I52对压电叠堆I51和压电叠堆II53进行预紧。

所述的钳位自锁组件7，由压电叠堆III71、柔性铰链II72和预紧垫片II73组成；四组压电叠堆III71放置在柔性铰链II72的安装凹槽内，并利用厚度可调的预紧垫片II73实现预紧；压电叠堆III71断电时，保证柔性铰链II72端部半球形接触件与筒壁8紧密接触实现连接套筒6轴向自锁，进而实现与输出轴14相连的光学安装组件轴向位置的精确定位；压电叠堆III71通电时，柔性铰链II72端部半球形接触件与筒壁8分离，通过信号时序控制可实现输出轴14轴向位移与偏转角度调整。

所述光学安装组件，由光学元件安装架10、光学元件11和锁紧螺母12组成；光学元件11通过锁紧螺钉紧固在光学元件安装架10上，利用锁紧螺母12将光学元件安装架10与调整装置的输出轴14端部相连；作为优选，连接螺纹均采用精密细牙螺纹。

实施例：

下面，以真空环境下低温压痕测试装置在压入深度在线溯源过程中，激光干涉仪***中专用精密光学元件位姿调整为例，具体说明光学安装组件连续位姿调整工作流程以及用于真空环境下光学元件多自由度精密调整装置的控制方法。

参见图9所示，在真空环境下低温压痕测试装置在压入深度在线溯源过程中，涉及安装固定在双自由度精密定位平台20的激光干涉仪21发射/接收信号，用于压入深度在线溯源过程中的压杆25设有镜面反射的与压入方向成α角的压头反射棱面24。为避免样品工作台与激光干涉仪21发生干涉及光路合理配置所限，因此激光干涉仪21发射信号的光路22需要经光学元件精密调整装置01偏折垂直打向压头反射棱面24上，此时光学元件11绕输出轴14的输出轴线23与X轴正方向成α角，且轴向方向要能够进行大行程位移调整。此时根据已知波长的激光信号及入射信号与接收信号的时间差，从而准确得到光路22方向的位移差δ，由压头几何形状及高斯几何光学基本知识可知，压入深度h表达式为：h＝δ/sinα。

参见图8所示，真空环境下激光干涉仪***中专用精密光学元件连续位姿调整一般工作流程如下：首先保证钳位自锁组件7中的压电叠堆III71通电，使柔性铰链II72脱离连接套筒6取消自锁；其次先对磁钢移动型电磁驱动单元中的线圈2通电，使输出轴14轴向大行程位移调整，直至使光学元件11与激光干涉仪21在Y方向位置一致；接下来对偏转角度精密调整组件5中控制同一方向偏转的压电叠堆I51(或压电叠堆II53)通电，使输出轴14角度偏转连续调整；最后，通过对光学元件11位姿调整，实现真空密封环境下激光干涉仪光路***的构建。

参见图1至图9所示，本实用新型的用于真空环境下光学元件多自由度精密调整装置的控制方法，通过矩形驱动波形实现轴向大行程位移调整；通过连续锯齿驱动波形实现偏转角度连续调整；通过周期型矩形驱动波形实现轴向自锁及光学元件连续位姿调整。主要包括以下步骤：

A)选择合适厚度的预紧垫片I52和预紧垫片II73对压电叠堆I51、压电叠堆I53和压电叠堆III71进行预紧，同时微调节预紧套筒16使偏转角度精密调整组件5中的柔性铰链II72与连接套筒6过盈配合；

B)给钳位自锁组件7中的压电叠堆III71施加矩形波驱动电压(图7所示)，压电叠堆III71在逆压电效应的作用下，缓慢伸长，在这个过程中，柔性铰链II72发生相应弹性变形，从而使其上的半球形接触件与连接套筒6分离取消自锁，在断电过程中，柔性铰链II72弹性变形恢复，使半球形接触件与连接套筒6紧密接触实现自锁；

C)在钳位自锁组件7通电的同时，对磁钢移动型电磁驱动单元中的线圈2通电，由于磁体I17和磁体II18受安培力作用，带动连接套筒6与输出轴14轴向大行程移动，并通过线圈2端部挠性轴承4限制磁体II18行程范围；

D)当光学安装组件轴向位置锁定后，且保证钳位自锁组件7通电取消自锁，给偏转角度精密调整组件5中的压电叠堆I51施加锯齿波驱动电压(图7所示)，压电叠堆I51在逆压电效应的作用下，缓慢伸长，在这个过程中，柔性铰链I54发生相应弹性变形，从而使顺时针柔性放大机构以接触点55为支点，刚性梁带动输出轴14顺时针旋转，在电压快速下降的过程中，由于运动惯性，输出轴14仅有微小的回退运动；同理，控制逆时针柔性放大机构中的压电叠堆II53可实现输出轴14逆时针旋转；

E)调节各元件的驱动电压(电流)幅值和频率，可实现对输出轴14轴向位移和角度偏转速度的调控。

以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种真空环境下光学元件多自由度精密调整装置，其特征在于：包括连接端盖I（1）、轴向大行程位移调整组件、偏转角度精密调整组件（5）、连接套筒（6）、钳位自锁组件（7）、筒壁（8）、连接端盖II（9）、输出轴（14）、预紧套筒（16）和光学安装组件，所述偏转角度精密调整组件（5）通过预紧套筒（16）与输出轴（14）相连，旋动预紧套筒（16）利用锥面自定心，实现对偏转角度精密调整组件（5）的预紧，使其与连接套筒（6）紧密接触；所述钳位自锁组件（7）通过螺栓固连在连接套筒（6）的凸缘上，并利用半球形接触件与筒壁（8）紧密接触实现自锁，筒壁（8）两端分别与连接端盖I（1）、连接端盖II（9）相连，通过连接端盖I（1）与外部宏观调整定位平台相固连。

2.根据权利要求1所述的真空环境下光学元件多自由度精密调整装置，其特征在于：所述的轴向大行程位移调整组件是：由磁体I（17）、磁体II（18）、筒壁（8）及固连在连接端盖I（1）上的线圈（2）构成磁钢移动型电磁驱动单元，其中磁体I（17）通过盖板I（3）轴向定位，磁体II（18）通过盖板II（19）轴向定位，同时为保证磁体II（18）位移行程不超出线圈（2）长度限制，利用挠性轴承（4）进行轴向限位；连接套筒（6）通过轴承I（13）和轴承II（15）支撑在输出轴（14）上，并与筒壁（8）过渡配合。

3.根据权利要求1所述的真空环境下光学元件多自由度精密调整装置，其特征在于：所述的偏转角度精密调整组件（5）是：柔性铰链I（54）设计有三组互成120°的刚性梁，刚性梁两侧对称分布两组柔性放大机构，接触点（55）位于柔性铰链I（54）外侧曲率渐变的曲面上，利用两侧柔性梁的刚度不一致，实现柔性放大机构绕双曲线型铰链产生微小偏转，通过三组柔性放大机构实现单一方向的偏转角度调整；柔性铰链I（54）为直角型铰链，在预紧过程中径向预紧力沿刚性梁施加在接触点（55）上，实现接触预紧力连续可调；三组用于实现顺时针偏转运动的柔性放大机构凹槽中安放压电叠堆I（51），同理另外三组用于实现逆时针偏转运动的柔性放大机构凹槽中安放压电叠堆II（53），并利用预紧垫片I（52）对压电叠堆I（51）和压电叠堆II（53）进行预紧。

4.根据权利要求1所述的真空环境下光学元件多自由度精密调整装置，其特征在于：所述的钳位自锁组件（7）包括四组对称布置的柔性铰链II（72），其中四组压电叠堆III（71）放置在柔性铰链II（72）的安装凹槽内，并通过预紧垫片II（73）实现预紧；压电叠堆III（71）断电时，保证柔性铰链II（72）端部半球形接触件与筒壁（8）紧密接触实现连接套筒（6）轴向自锁，进而实现与输出轴（14）相连的光学安装组件轴向位置的精确定位；压电叠堆III（71）通电时，柔性铰链II（72）端部半球形接触件与筒壁（8）分离，通过信号时序控制实现输出轴（14）轴向位移与偏转角度调整。

5.根据权利要求1所述的真空环境下光学元件多自由度精密调整装置，其特征在于：所述的光学安装组件是：光学元件（11）通过紧定螺钉紧固在光学元件安装架（10）上，利用锁紧螺母（12）将光学元件安装架（10）与输出轴（14）端部相连。