【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于超精密光学成像与刻写领域，涉及一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置及对焦方法。
技术介绍
1、当前精密光学应用中，激光加工精度要求越来越高，激光加工对光束的聚焦要求也越来越高。高精度的光刻及成像系统中往往需要高倍物镜进行聚焦，物镜聚焦光斑往往极其精细，聚焦景深往往较小，在高倍聚焦情况下，微小的焦距变化将引起聚焦质量的大幅度变化，进而能够大幅度影响通过物镜成像或刻写的质量。因此，聚焦光斑除保证光源本身实现高稳定性外，物镜与加工表面焦距的调节精度要求也随之提高，在纳米级的刻写应用中，往往需要要求物镜具有极高的调节精度和长时间的稳定性能，同时由于工艺等原因，也同时需要聚焦物镜能够实现较大距离的调节范围，以便实现不同高度样品的适配及加工完成后离开样品表面。
2、通常，光刻系统中的物镜聚焦有多种方式，其最终目的是高精度地控制物镜镜头与样品被加工表面之间地距离，其中两者的运动又包含了长行程运动和短行程的精调，因此两者之间的相对运动有多种途径实现。一般来说，无论光刻和成像系统整体结构为正置或倒置，即物镜和样品两者之间的上下关系是否转换，物镜与样品都各自安装于两个相互独立的夹持装置上，物镜调焦所需的运动能够自由分配于两个夹持装置上，例如物镜完全固定，样品所在的升降平台完全负责大范围升降及高精度的微调；也可由样品台负责大范围升降粗调，物镜夹持端安装精密升降装置用于精调，此类方式目前较为常见；此外其余的分配方式也有各自的应用场景。
3、目前物镜的调焦方式在各种成熟的光刻及成像装置中均有应用，目前常见的如显微镜系统
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置及对焦方法。
2、本专利技术通过以下技术方案来实现：一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置，该装置包括：
3、主体固定框架、压电驱动器、电动推杆、止动活动块、止动部件底座、止动滑动块、主体滑动框架、弹簧柱塞、编码器、光栅尺、升降电机、升降连接器、行程挡块、行程开关、物镜和直线导轨；
4、该装置由固定和运动两部分组成，其固定部分为主体固定框架与固定在其之上的部件，所述主体固定框架作为装置的基座固定连接到该装置所在的光学系统中；所述主体固定框架与主体滑动框架之间由直线导轨与升降连接器螺纹传动连接，升降连接器具有一个与升降电机螺杆配套的螺纹轴套，所述升降电机的主轴具有螺纹，通过与升降连接器螺纹附传动带动主体滑动框架，所述编码器通过连接件安装于主体滑动框架的外侧面，所述光栅尺固定于主体固定框架的外侧面；
5、所述活动部分安装有压电驱动器，所述压电驱动器固定设置于主体滑动框架上，物镜安装在压电驱动器上；当升降电机带动整个活动部分升降到位后，压电驱动器能够驱动物镜作高精度的升降，进而调节高精度的焦距；
6、所述止动活动块、止动部件底座和弹簧柱塞共同组成止动结构；所述止动结构用于实现固定部分与活动部分在调焦运动完成后的位置固定；
7、所述止动部件底座固定于主体固定框架上，止动活动块安装于止动部件底座上且通过销孔连接；所述止动活动块上安装有两个弹簧柱塞，两个弹簧柱塞之间上有弹簧顶出的一活动柱，所述电动推杆的端头接触止动活动块的斜面，行程开关安装于主体固定框架上且放置于升降电机的行程两端，行程挡块安装于主体滑动框架上；所述止动滑动块与主体滑动框架弹性连接且安装于主体滑动框架上。
8、具体地，所述压电驱动器具有纳米级位移精度，其行程范围需大于升降电机最小步进精度的1.5倍。
9、具体地，所述电动推杆向前推进时，电动推杆的端头接触止动活动块的斜面时将止动活动块下压，使止动活动块的另一端松开止动滑动块。
10、具体地，所述止动活动块与弹簧柱塞组合提供的转动力矩作用于止动滑动块上时，形成的下压力不低于5n；止动滑动块弹性部分变形时产生的转动力矩小于0.5n·m。
11、具体地，所述编码器和光栅尺的组件为光电式或磁场式，其分辨率小于升降电机最小步进精度的10倍。
12、具体地，所述行程挡块和行程开关各自的安装距离上按物镜的行程需要调节。
13、具体地，所述行程开关为光电式、电磁式或机械式中的任意一种。
14、具体地，所述电动推杆为基于步进电机与螺杆的组合、气缸或电磁铁中的任意一种。
15、具体地，所述升降电机为步进电机、直流电机、直线电机或音圈电机中的任意一种，其中步进电机和直流电机需通过螺纹副与升降连接器结合，实质上下直线运动，并具有手轮，用于在失电时进行手动转动。
16、本专利技术还提供了一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置的对焦方法，该方法包括如下步骤：
17、s1：由主光路两束同轴光束透射经过二向色镜a，同轴入射进入调焦装置上安装的物镜（15），其余波长透射的镀膜，光束经过物镜聚焦后汇聚于样品表面；
18、s2：采用具有一准直透镜及成像透镜的红光led光源，先将该光源光准直后成像于样品下方，照明光透射经过分光比为1：1的分束镜，反射经过二向色镜b后进入物镜，经样品面反射后原路返回，由分束镜反射进入相机，该相机传感器面置于管镜工作距离上，将样品表面成像于相机，由相机输出获得样品表面图像；所述管镜为一个透镜组，用于将返回光成像到相机上；
19、s3：控制器通过分析相机获得的样品面像，控制对焦装置电机进行上下运动，通过此闭环控制直至相机成像最清晰；同时控制器也能够由手动从控制软件端输入物镜的移动量，肉眼观察相机图像进行手动开环调整；
20、s4：利用升降电机进行物镜粗调闭环控制，升降电机的极限位置限制使用2个光电式行程开关，行程开关放置于电机行程两端，当行程挡块挡住光电式行程开关的光线时，光电式行程开关状态切换，输出至控制器的信号随之切换，升降电机停止继续运动；采用小型化编码器与光栅尺检测电机运动量，其光栅尺的精度为20nm，用于反馈电机输出的位移量、控制器接受编码器信号控制升降电机组成闭环；所述电动推杆采用20x20步进电机结合内置的同轴螺杆结构组成直线推进；所述弹簧柱塞使用两根pjxw6-5重载型，提供13-34n的推力，安装于止动活动块上后调整螺纹旋进量进而调整推力，弹簧柱塞的头部于活动块销孔距离为30mm，当调整一根弹簧柱塞的推力为20n时，止动活动块提供恒定1.2n·m的转动力矩，作用于压紧止动滑动块的另一端时，产生的下压力为8本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置，其特征在于，该装置包括：
2.根据权利要求1所述一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置，其特征在于，所述压电驱动器（2）具有纳米级位移精度，其行程范围需大于升降电机（11）最小步进精度的1.5倍。
3.根据权利要求1所述一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置，其特征在于，所述电动推杆（3）向前推进时，电动推杆（3）的端头接触止动活动块（4）的斜面时将止动活动块（4）下压，使止动活动块（4）的另一端松开止动滑动块（6）。
4.根据权利要求1所述一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置，其特征在于，所述止动活动块（4）与弹簧柱塞（8）组合提供的转动力矩作用于止动滑动块（6）上时，形成的下压力不低于5N；止动滑动块（6）弹性部分变形时产生的转动力矩小于0.5N·m。
5.根据权利要求1所述一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置，其特征在于，所述编码器（9）和光栅尺（10）的组件为光电式或磁场式，其分辨率小于升降电机（11）最小步进精度的10倍。
6.根据权利要求1所述一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置，其
7.根据权利要求1所述一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置，其特征在于，所述行程开关（14）为光电式、电磁式或机械式中的任意一种。
8.根据权利要求1所述一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置，其特征在于，所述电动推杆（3）为基于步进电机与螺杆的组合、气缸或电磁铁中的任意一种。
9.根据权利要求1所述一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置，其特征在于，所述升降电机（11）为步进电机、直流电机、直线电机或音圈电机中的任意一种，其中步进电机和直流电机需通过螺纹副与升降连接器（12）结合，实质上下直线运动，并具有手轮，用于在失电时进行手动转动。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置的对焦方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置，其特征在于，该装置包括：
2.根据权利要求1所述一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置，其特征在于，所述压电驱动器（2）具有纳米级位移精度，其行程范围需大于升降电机（11）最小步进精度的1.5倍。
3.根据权利要求1所述一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置，其特征在于，所述电动推杆（3）向前推进时，电动推杆（3）的端头接触止动活动块（4）的斜面时将止动活动块（4）下压，使止动活动块（4）的另一端松开止动滑动块（6）。
4.根据权利要求1所述一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置，其特征在于，所述止动活动块（4）与弹簧柱塞（8）组合提供的转动力矩作用于止动滑动块（6）上时，形成的下压力不低于5n；止动滑动块（6）弹性部分变形时产生的转动力矩小于0.5n·m。
5.根据权利要求1所述一种定力矩止动的高精度物镜对焦装置，其特征在于，所述编码器（9）和光栅尺（10）的组件为光电式或磁场式，其分辨率小于升降电机（11...
【专利技术属性】
技术研发人员：马程鹏，匡翠方，徐良，汤孟博，魏震，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：
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