透镜主动光学的像差补偿性能

　　0 引 言

　　主动光学技术最早由欧洲南方天文台提出，并率先进行研究[1]。在天文学领域[2]，主动光学技术作为反射镜像差校正的有效手段，用于改善望远镜中反射镜的面形误差，其原理是通过分布在反射镜背面的促动器阵列向反射镜施加轴向作用力进行镜面面形控制，达到校正波面误差的目的[3]。

　　目前国内外对于主动光学技术的研究主要集中在拼接技术、大口径和薄反射镜面形误差校正方面，且主要应用在天文观测望远镜上[4-8]。而对透镜主动光学的研究，尤其在光刻投影物镜中，主动镜的研究方面开展的较少。

　　本文针对透射式光刻投影物镜中用于主动光学技术的平面镜进行支撑方案的设计和分析，综合考虑结构布置空间、材料应力、驱动力等多个参数对面形的影响确定支撑方案，分析不同的镜片厚度及结构尺寸对镜片面形的影响，得出各个参数对面形的影响规律。

　　1 主动光学支撑结构模型

　　在投影物镜的曝光过程中，高能量激光通过物镜时，由于镜片的能量吸收，导致镜片温度升高，产生热变形及镜片折射率变化。物镜在曝光过程中，激光能量分布并不是旋转对称的，由非均匀分布能量产生的非旋转对称像差如像散，难以通过镜片位置的调整来补偿，目前大多采用主动光学的办法产生与热像差相反的变形，以改善成像质量。补偿技术实际上就是通过某种结构和途径，人为地产生出可控的、与原变形方向相反的变形以改善原有像差。本文对直径 Φ140 mm、通光孔径为 Φ120 mm 的平面镜进行分析，采用响应速度快、无污染的气动波纹管作为驱动器对像散进行补偿。通过对镜片支撑机构的仿真分析得出各个参数对面形的影响，即各个参数对像差补偿特性的影响。支撑结构如图 1 所示，有限元模型如图2 所示，材料属性见表1 所示。

　　支撑结构的镜框采用整体结构，由外框、内框、柔性体等组成。内框和外框之间采用4 个柔性体连接，柔性体在平行于光轴方向上的刚度大，在垂直于光轴方向的扭转刚度小，这使得内框在光轴方向上的位移量很小，在垂直于光轴方向上，内框在驱动力作用下容易产生弯曲变形。上、下驱动器作用块连接在内框上，用于承载上、下驱动力。镜片采用胶粘的方式连接到内框上，随内框一起变形。由于上、下驱动器作用块上力的方向相反，导致镜框和镜片产生变形以补偿光学系统中的像散。

　　2 关键参数对镜片面形的影响规律

　　由于驱动器采用气动波纹管，选用波纹管内径10 mm，气压调节精度 2 kPa，得出最小可控驱动力为0.157 N，在此驱动力基础上分析镜片厚度，柔性体长度、宽度、高度和驱动力大小对镜片面形的影响规律，本文只取镜片上表面的 RMS 值作为面形参考，在有限元分析中考虑重力的影响。