基于运动学支撑的透镜光学表面面形及其复现性

根据高精度投影光刻物镜的特点,提出了一种运动学支撑结构,并采用实验结合有限元分析的方法研究了该支撑结构引起的透镜光学表面变形以及重复装配过程中透镜光学表面面形的复现性。首先,介绍了运动学支撑结构的原理及镜面变形分析的方法。然后,应用Zernike多项式拟合实测和有限元分析得到的面形,并用两种方法对运动学支撑结构夹持力引起的透镜光学表面面形进行对比,以验证有限元分析模型的正确性。同时,分析了考虑重力情况下运动学支撑结构导致的透镜光学表面变形。最后,用实验的方法测量了运动学支撑结构在重复装配过程中透镜光学表面面形的复现性。实验和分析结果显示,由运动学支撑结构夹持力引起的透镜光学表面面形均方根(RMS)值的实测值为1.004nm,分析值为0.974nm,夹持力及重力综合作用下导致的透镜表面Fringe Zernike拟合面形RMS值为2.538nm,产生的主要像差为离焦、初级三叶像差和二级三叶像差,重复装配过程中引起的透镜光学表面面形的复现性标准差为0.645nm。得到的结果表明,所设计的运动学支撑结构能够保证透镜光学表面面形在重复装配过程中有良好的复现性。

光刻投影物镜光学元件运动学支撑结构的设计与分析

为了实现曝光工作过程中深紫外投影光刻物镜的动态稳定性,设计了一种能够消除温度和应变影响的光学元件运动学支撑结构,研究了如何利用该支撑结构消除温度变化和外界应变对光学元件面形的影响。首先,计算单个支座的径向柔度,并与有限元分析结果进行比较。然后,分析在不同温度载荷和外界应变工况下光学元件上、下表面面形的变化,并与三点胶粘固定支撑方式下的结果进行了比较。计算结果表明:通过理论公式推导的支座径向柔度与仿真结果的误差绝对值小于2.2%;温度升高0.1℃时光学元件上下表面面形RMS值小于0.36 nm;平面度公差5μm时面形RMS值小于0.05 nm。与三点胶粘固定方式相比,运动学支撑方式能够有效消除温度变化和外界应变对光学元件表面面形的影响。

反射镜架系统运动学支撑连接的有限元建模

根据反射镜架系统中运动学支撑连接的物理接触形式,采用相应的位移协调方式来模拟其连接,建立了一个镜架结构的有限元模型,并分析了该镜架系统的模态及结构在地脉动载荷下的微振动分析。得到前三阶模态固有频率的最大误差小于5%,各测点的位移响应均方根的计算值与试验值吻合较好,多数点位移均方根误差控制在30%以内,且各支撑连接部位的传递特性的计算结果与试验结果比较一致,验证了所采用的运动学支撑连接的建模方法的可行性。

切向双脚架-运动学支撑结构的柔度研究

为了实现高精度的运动学支撑结构的设计,研究了切向双脚架-运动学支撑结构的柔度。介绍了切向双脚架-运动学支撑结构的设计原理。根据单边直圆柔性铰链的柔度公式,推导了双脚架在X、Y和Z轴方向的等效柔度Cx、Cy和Cz的解析式。采用有限元分析和试验验证的方法,对双脚架的柔度解析式进行了分析验证。结果表明:解析式结果与有限元结果、试验结果基本一致,且误差均小于9.8%。研究了单边直圆柔性铰链的柔槽深度R和最小厚度t对双脚架柔度Cx、Cy和Cz的影响,得到了双脚架的等效柔度均与柔槽深度R成正比,与最小厚度t成反比的结论。为空间相机上的科学仪器的切向双脚架-运动学支撑结构的设计提供理论参考。

空间光学遥感器运动学支撑方案设计与分析

设计了空间光学遥感器的运动学支撑方案,以解决遥感器的安装和精密定位。首先介绍了约束螺旋理论,主要包括螺旋的概念,修正的K-G公式及公共约束和冗余约束的物理意义。然后提出了3-RRR空间并联机构的运动支撑方案,采用约束螺旋求解法分析理想状态各支撑分支对工作平台的自由度约束问题,以及各分支运动链共同作用到工作平台后产生的公共约束和冗余约束,引入实际情况中的微米级铰间隙,分析其对自由度分配的影响,比较理想情况和实际含间隙情况下工作平台具备的过约束数目的差别。最后运用欧拉公式优化杆件结构,优化后支撑杆件采用空心矩形截面,在不影响运动副工作的同时缩短杆件长度,增强支撑结构的稳定性,完成空间遥感器运动学支撑方案设计。实验结果表明:遥感器沿各轴位移都在0.01mm数量级,绕x,y,z轴转角分别为3.95″,1.86″,1.81″,该方案满足了对空间光学遥感器的支撑和定位要求。

空间光学遥感器大型分束棱镜支撑结构设计

分束棱镜是大型空间遥感器分离光束的重要部件。为解决空间遥感器中大型分束棱镜的支撑问题,对尺寸为200mm×200mm×200mm的分束棱镜的支撑结构展开研究。提出基于半运动学支撑和被动温度补偿原理的立方分束棱镜支撑结构,建立棱镜的接触约束,模拟边界条件的非线性,利用非线性有限元方法进行工程分析,最后分析验证。结果显示,在自重与±15℃稳态温度变化耦合作用下分束棱镜通光面面形误差PV值优于73.2nm,RMS值优于12nm;棱镜组件的一阶固有频率达到183Hz;表明该分束棱镜支撑结构方案设计合理,能够满足空间环境下对其结构刚度与热稳定性的要求。

极紫外光刻系统物镜光学元件的支撑与分析

介绍了极紫外光刻系统物镜光学元件的支撑原理和支撑要求,分析了符合运动学支撑要求的物镜支撑结构和面形检测用支撑结构;针对支撑结构性能和支撑方案中关键问题进行了深入研究,并提出了相应的解决方案。最后建立了支撑结构的有限元模型,并在此基础上进行了重力场中的镜体变形分析和温度场作用下系统的热变形分析。分析结果表明,检测用支撑与实际用支撑两种结构在重力环境下支撑出的元件面形基本相同,面形相差0.0026nm(RMS);温控范围为0.05℃时,由机械结构热变形引起的镜体面形变化在0.001nm(RMS)量级。研究结果表明,运动学物镜元件支撑结构能够满足极紫外光刻系统对于物镜机械支撑结构的要求。

地磁测量卫星光学平台结构热稳定性设计与校验

针对地磁测量卫星光学平台(OB)结构与伸杆弯曲、扭转等整体热变形解耦难,星敏支架材料各向异性且可设计性差和多项精度指标下热稳定性设计与校验缺失的问题,开展了光学平台结构热稳定性设计,实现了中部臂杆整体热变形解耦。基于有限元方法(FEM),选定综合性能最佳的材料组合,给出了材料匹配性规律。用热变形测试结果修正后的有限元模型分析校验了准运动学支撑的热变形解耦能力。开展了在轨全周期热变形分析,结果表明,光学平台星敏光轴间夹角峰-峰值最大为1.24″,星敏光轴与磁强计体轴间夹角峰-峰值最大为3.13″。在相似使用环境下,所设计的光学平台结构星敏光轴间夹角变化均方根值较SWARM卫星的对应值减小约82%,验证了光学平台结构热稳定性设计的有效性。

Ф620mm口径地基反射镜组件优化设计

为了获得Ф620 mm口径地基反射镜组件的最优设计方案,建立了反射镜及其支撑系统的参数化模型,并基于该模型对镜体厚度、支撑点位置和柔性支撑结构的设计参数进行多目标优化设计。首先,阐述了Ф620 mm口径地基主反射镜支撑系统的运动学约束设计原理。然后,从理论角度推导出柔性支撑的柔度矩阵和结构热变形的等效力,建立了便于优化迭代的反射镜组件参数化模型,对比了参数化模型与体单元组成的详尽有限元模型在多种静力学工况下的RMS值和系统的前6阶模态值,计算结果误差在10%以内,验证了参数化模型的有效性。最后,基于径向基函数的近似模型理论,在Isight环境下对参数化模型进行多目标优化处理。得到了多目标优化的Pareto front前沿,目标值权衡处理后得到系统的最优的设计方案。提出的优化设计方法具有较好的工程适用性,可为同类型的反射镜组件优化设计提供参考。

大型空间相机主承力板检测结构设计及误差分析

主承力板作为空间相机的核心承力部件,需要具备极高的尺寸精度和结构稳定性,常规的检测方法和装夹方式无法满足产品使用要求。根据某大口径相机主承力板的结构形式和指标要求,结合现有测量设备的容纳能力,选择了卧式放置的方式进行关键部位的平面度检测;引入准运动学支撑概念,主承力板使用3个逆Bipod支撑以避免装夹变形及装配变形,设计并制造了专用检测结构;以主承力板基准面PV值为评价指标,使用ABAQUS有限元软件和Matlab软件进行仿真计算,确定检测时的卸载力位置和大小。实验结果表明,使用检测结构得出的基准面平面度检测误差小于2μm,提升了三坐标设备的检测能力,有广泛的应用前景。

散斑位移信息图象处理技术及应用

运动学支撑定位精度检测,采用激光散斑干涉法记录被测体特定平面的位移,以获得6自由度刚体位移分量。其图象处理技术是用细激光束对处理好的散斑图进行照射以获取图象(即杨氏条纹图),通过增强、滤波、提取条纹中心线等技术对获取的图象进行处理,提取出杨氏条纹图象在X、Y、Z三个方向的条纹间距,从而分析出被测物体特定平面内的位移信息,精度达到0.4μm。实验证明,该技术提高了运动学支撑定位检测精度。

193nm光刻投影物镜单镜支撑仿真分析及实验研究

光刻是大规模集成电路制造过程中最为关键的工艺,光刻的分辨力主要取决于光刻投影物镜的光学性能。光刻投影物镜光学元件面形精度为纳米量级,其对光学元件的加工及物镜单镜支撑提出了极高的要求。为193nm光刻投影物镜高精度的单镜面形,设计了一种运动学单镜支撑结构。运用有限元法(FEM)分析光刻投影物镜单镜运动学支撑结构在重力下物镜镜片的面形变化量,经分析物镜镜片的峰值(PV)值为15.46nm,均方根(RMS)误差为3.62nm。为了验证有限元计算精度,建立了可去除参考面面形及被测面原始面形的方法。经过分析对比,仿真结果与实验结果面形的PV值为2.356nm,RMS误差为0.357nm。研究结果表明,所设计的基于运动学193nm光刻投影物镜单镜支撑结构能够满足193nm光刻投影物镜系统对于物镜机械支撑结构的要求。

基于刚度匹配的激光测高仪星载接口分析与设计

由于加工生产、发射振动以及空间温度交变等因素,星上载荷的安装接口会出现一定的形位误差,进而激光测高仪的光轴指向发生偏差。为了减小机械接口对载荷的影响,基于运动学安装的原理,设计了测高仪的支撑结构。在接口刚度匹配性分析的基础上,对支撑结构进行了设计优化。采用蒙特卡罗统计方法对星上接口的误差分布进行了分析,确定了载荷安装点的误差输入。通过分析与试验验证发现:所设计的支撑结构的一阶基频达到88 Hz,激光收发光轴安装时引起的光轴总偏离量约为8.5μrad,力学振动引起的光轴总偏离量为30μrad。热光试验表明,高低温边界处的光轴稳定度为8.5μrad。所设计的支撑结构能够满足测高仪的使用指标要求。设计思路与试验结果对星载激光类载荷接口设计具有一定的参考性。

夹紧力作用下镜面变形及夹紧重复性研究

利用有限元方法对运动学支撑夹紧力引起的镜片光学表面变形进行静力学分析,并应用Zernike多项式对镜片表面的变形进行了拟合。结果表明,夹紧力作用下镜片表面产生的几种主要像差为Defocus、Pri Trefoil和Pri Hexafoil。光学检测过程中,运动学支撑结构的重复装配误差可能会影响检测精度,因此分析了运动学支撑夹紧重复性对镜面面形的影响。以夹紧力大小、夹紧力径向位置、夹紧力周向位置变化引起的镜面表面峰谷(PV)值和均方根(RMS)值的变化作为评价夹紧重复性的依据。分析结果表明,镜片表面的PV值和RMS值变化不明显,说明所设计的运动学支撑结构在多次重复性的检测中允许装配过程存在一定的误差。