基于运动学原理的三镜支撑设计及支撑位置优化研究

针对三镜支撑机构需要应对重力影响以及温度变形的问题,对三镜的支撑方法进行了研究,提出了一种基于运动学原理的支撑设计;对支撑点位置进行了优化,通过ANSYS上的优化分析模块,以RMS值为指标,优化出了支撑点的位置;对不同重力方向作用下的三镜面型进行了有限元分析,得到了重力方向与反射镜面型的关系曲线;利用ZYGO干涉仪对支撑前后的三镜面型进行了试验检测,实测重力作用下的RMS值为0.021λ,支撑后仅增大0.002λ。研究结果表明,该支撑方法通过令柔性三点底支撑与中心侧支撑互相解耦,能够减小重力作用或者温度变化时,因变形不协调而产生的集中应力,从而拥有良好的面型。该支撑方法是可靠的,优化出的支撑点位置是可行的。     

底支承对小口径反射镜镜面变形的影响

论述了运用有限元技术研究镜面变形的方法及分析底支承在不同口径，焦比、厚径比和相对支承半径时镜面变形的技术；在取得的相互关联的最大镜面变形数据基础上，研究了影响小口径反射镜底支承镜面变形的因素。     

光电经纬仪主镜系统自重变形的有限元分析

为了了解主镜整体支撑系统的重力变形情况,采用有限元分析软件,对某光电经纬仪主镜系统进行有限元力学分析,分析在各个倾角状态下主镜镜面自重变形情况,以掌握支撑条件下镜面变形变化规律,供系统光学修正或采用自适应系统的调整机构作用力参考。     

大口径反射镜下倾状态支撑结构的研究

大口径反射镜一般工作在上仰状态或者竖直状态,这两种状态下的支撑方式都比较成熟;而在工作于下倾状态时,底支撑结构与前两种状态相比要复杂的多。在分析比较了多种结构方案的基础上,提出了较为可行的两种支撑方案,滑轮重锤方案和杠杆重锤方案;并对两种方案进行比较,选择了最适合的杠杆重锤方案应用在口径1.5m球面反射镜的支撑系统中。通过ansys有限元分析软件对支撑点进行优化,采用拟合方法计算镜面不同支撑状态受力变形条件下的PV值和RMS值,满足设计要求,达到了较高精度。实际应用状态下镜面检验结果满足设计要求,验证了设计方案的合理性和可行性。     

接口前处理在光机系统动力学分析和面形优化中的应用

为了解决光机系统动力学分析与面形优化过程中由于光机接口程序后处理方式所引起的计算数据量大或接口处理失效的问题,提出将光机接口处理过程移到有限元前处理中,并进行了光机系统的集成分析与优化。首先,为了解决标准Zernike多项式在环形离散点域内的非正交性,引入了节点面积加权因子和环域Zernike多项式。提出了通过对镜面施加均匀压强求节点支反力的方式求取节点面积加权因子的计算方法。然后采用最小二乘法推导出镜面刚体位移和拟合镜面变形的Zernike多项式系数与镜面各节点变形量之间的线性关系式。最后,编写接口程序将这些线性表达式以多点约束(MPC)的方式导入到有限元模型中,在前处理过程中完成系统的光机接口处理过程。通过对非稳态风载引起的某1.2m地基望远镜视轴抖动和液压whiffletree支撑下的主镜镜面高阶变形量进行结构动力学随机响应分析,验证了光机前处理方法对解决光机系统动力学问题的有效性。此外,还以镜面面形为优化目标对1.2m轻量化主镜的镜体结构和尺寸进行敏感度分析,证明了光机前处理方法可以有效地简化镜面面形的优化分析过程。     

展开式反射镜单元镜支撑技术

基于展开镜结构工作原理,运用有限元方法分析了展开式反射镜单元的裸镜及其支撑方案.目的是确定镜子支撑点数量及排布方式,并具体分析了12-6-1、12-8-1和16-8-1型三种支撑点排布方式,分别计算了各支撑点排布方式下的镜面自重变形.计算结果表明,采用16-8-1型的排布方式较为合理.支撑结构的优化设计是在裸镜支撑点优化位置加入支撑组件综合分析镜坯与支撑组件,以镜面面形误差及结构总体刚度为目标函数,考查、修改支撑组件以保证镜面RMS值在可调节范围(30μm)内.计算带有支撑组件的单元反射镜在自重作用下的变形,得出的镜面RMS值为16.52nm,小于1/4波长(632.8nm),表明将该支撑方案应用于单元镜具有可行性.并提高整个反射镜面的面形质量.     

主动光学镜面支撑结构的优化设计

对主动镜面的工作原理以及镜面支撑系统与面形精度之间的关系进行了理论分析.以口径400mm,厚10 mm的薄镜面主动镜为例,利用有限元软件以及相关面形分析软件对其进行参数化建模,并对轴向支撑点的位置参数进行了敏感度分析及优化,从而给出了最佳的支撑点位置.     

大口径轻量化主镜边缘侧向支撑的优化设计

对大口径主镜的侧向支撑结构进行了优化,以便最大限度地降低重力作用下的镜面变形。首先,从理论上给出了一种优化主镜边缘侧支撑结构的判据和思路,然后,引入边缘切向剪切侧支撑原理,阐述了这种支撑形式的优化思想和优势。以口径为2060mm的扇形轻量化主镜作为分析实例,采用16个边缘离散支撑点,优化设计等角间距侧向支撑,并针对轻量化主镜的结构特点和等角间距支撑下支撑力值相差较大的缺点,将等角间距改为不等角间距侧向支撑,分析推导了相应的支撑力公式。结果显示,改进后的支撑形式提高了系统的支撑刚度,镜面变形由原来的1.723nm降为1.633nm。所研究的边缘切向剪切支撑方式很大程度上保证了主镜镜面面形,对不同口径的扇形孔轻量化主镜的设计有普适性。     

卧式活塞推料离心机推杆的优化设计

提出卧式活塞推料离心机推杆的设计原则,建立了推杆的有限元分析模型,并利用CAE软件对其应力分布及位移变形进行了分析．利用优化模块以减少应力集中为目标进行了优化得出卧式活塞推料离心机推杆的最佳设计。数值分析及优化结果便于工程实际应用。     

单镜支撑结构对镜面面形影响的接触有限元分析

单镜支撑技术是影响光刻机光刻精度的关键因素之一。为了分析某光刻物镜单镜支撑结构对镜面面形的影响,采用接触有限元分析的方法对某光刻物镜系统单镜支撑结构进行分析。由于单镜还受到预紧力和夹紧结构的影响,分析时建立预紧力大小不同,夹紧结构刚度不同,支撑结构刚度不同的有限元模型,计算镜体的自重变形,并由此计算镜面面形的峰谷值(PV)、均方根值(RMS)。分析结果表明,当支撑结构特征尺寸D≥0.6 mm时,镜面面形精度对支撑结构特征尺寸D的稳定性最好,这为以后不同口径光刻机物镜系统的单镜支撑技术提供参考。     

1.2m SiC主镜轻量化设计与分析

为了探索研究大口径轻量化SiC主镜的可行性,对比分析了各种主镜轻量化形式的优缺点,确定了主镜的支撑方式;然后,从理论上计算了轻量化镜体结构参数,设计了采用夹心三明治结构扇形轻量化孔形式的1.23 m SiC轻量化主镜.利用有限元方法分析了轻量化主镜在浮动支撑下的自重变形,两种工况下的面形分别为:PV=9.43 nm,RMS=2.5 nm;PV=16.7 nm,RMS=3.2 nm.分析结果表明,镜体的自重变形影响较小,可以满足要求.而由于SiC的热膨胀系数较大,热变形影响较大,在稳态温度场下,温度每相差1 ℃,镜面面形变化约为PV=40 nm,RMS=4.8 nm,说明为了达到了设计要求,必须对镜体采取热控措施.     

300 mm干涉仪参考镜的设计及测试

针对一台有效口径为300 mm的斐索立式移相干涉仪的参考镜,采用有限元方法对其水平状态不同支承方式下的表面变形进行了分析及优化设计,根据设计结果在对镜坯抛光时留出变形余量,并用液面基准法进一步验证了分析结果,其PV的差值为0.008 λ,RMS的差值为0.005 λ。实验结果表明,此干涉仪参考镜支撑结构的设计满足技术要求。     

1.23m SiC主镜的本征模式主动光学校正

采用直接最小二乘法和自由谐振法对大口径高刚度SiC主镜进行主动校正易引入较多解算误差,故本文提出以主镜的本征模式进行主镜面型校正来优化解算校正力幅值,以改进系统校正效果。该方法首先对主镜的响应矩阵进行一系列数学转换,得到一组相互正交的主镜本征模式,然后以各模式面形拟合校正目标,解算校正力。对1.23m SiC主镜和主动支撑系统进行了有限元建模,通过仿真验证了提出方法的正确性。在此基础上,在搭建的1.23m SiC主镜主动光学实验系统上进行了主动光学校正实验,并针对实验系统进一步优化了提出的方法。实验结果显示:利用该方法可将实验系统主镜面形误差由0.23λRMS校正至0.048λRMS,表明以主镜本征模式进行主动校正,可有效抑制解算校正力幅值,提高系统校正能力。该方法适用于大口径、高刚度SiC主镜的主动校正。     

利用Zernike多项式分析超薄镜热变形

利用圆域上正交基-Zernike多项式拟合镜面温度场,将温度场转化为较有意义的模式,采用有限元方法进行了热变形的计算,其中针对空间大口径超薄镜面建立镜面模型,且暂不考虑重力,另外因超薄镜厚度很小,也不考虑轴向温度梯度的影响。通过计算利用Zernike多项式得到温度场产生的热变形,得到了不同温度模式产生的不同像差形式:即对于不同的温度场模式—温度整体变化(平移),一端凉且一端热(倾斜),中心与边缘温度不同(离焦热模式),以及像散热模式,彗差热模式,球差热模式导致的热变形分别主要表现为像差离焦,倾斜,离焦,倾斜,倾斜,球差。不同热模式在相同温差下产生的变形有数量级的差别,能够产生较大变形量的温度模式有离焦,彗差和球差,这意味着超薄镜对这些温度场比较敏感。计算和总结表明,利用Zernike多项式分解温度场,可以对热变形规律进行有效的分析,解决了镜面温度分布随时间变化使得热分析较为不准确的困难。     

1.2米SiC主镜轻量化设计与分析

为了探索研究地基大口径轻量化SiC主镜的可行性。对比分析了各种轻量化形式的优缺点,确定了主镜的支撑方式,然后从理论上计算了轻量化镜体结构参数,确定采用夹心三明治结构扇形轻量化孔形式。利用有限元方法分析了轻量化主镜在浮动支撑下的自重变形和热变形,分析结果表明,镜体的自重变形影响较小,可以满足要求,而由于SiC的热膨胀系数较大,热变形影响较大,为了达到了设计要求,必须对镜体采取热控措施。     

CO_2探测仪反射镜组件设计

为了降低重力、力学试验、发射条件以及因材料线胀系数差异导致的热变形对CO_2探测仪反射镜面形产生的影响,从反射镜组件材料选择、结构设计和配合方式几个方面进行了分析。采用SiC材料制作反射镜,结合反射镜的环形支撑方式,通过有限元分析对镜体进行轻量化设计。选取线胀系数较小的殷钢材料,利用三角形结构的稳定性和双脚架柔性结构的灵活性设计出简易可靠的反射镜支撑结构。反射镜与支撑结构接触面为1∶50的锥度面,通过环氧树脂进行胶接。在严格的工艺条件控制下,对反射镜组件进行精密加工和装配。对反射镜组件进行力学试验测试,结果表明在X向、Y向、Z向的一阶频率分别为445,423和444 Hz,与有限元分析结果接近。试验后镜面面形变化量PV值小于1/10λ,RMS值小于1/30(λ=632.8nm)。证明了CO_2探测仪反射镜组件结构设计与装调的合理性,满足空间高光谱成像要求。     

大口径非圆透镜的夹持设计

夹持方式对大型透镜面形的变化具有十分重要的影响。为了使大口径非圆透镜的夹持系统不影响其面形,通过有限元软件ANSYS对透镜的三种夹持预案进行分析比较。针对侧边夹持方式研究了夹持点数与透镜变形的关系,确定了大口径非圆透镜的四周粘胶侧边十二点夹持的固定方式。建立了该透镜夹持系统的整体有限元模型并进行自重分析,得出透镜变形的PV值为0.1911μm,前后两表面面形变化的RMS值分别为0.0478μm和0.0450μm,由此证明所定夹持方案的合理性。     

基于模态扩展和曲率的形变混合重构

文中提出了一种基于模态扩展和曲率的形变混合重构方法,该方法在实物和有限元模型之间存在一定误差的情况下可以适当降低形变重构的误差。首先,通过模态实验在待重构的表面上均匀选取有限个测点来获取实验模态,接着用对应的有限元模态振型列表来平滑扩展这些实验模态,之后用平滑扩展的实验模态来重构大量的应变值,为了防止求取模态坐标时出现过拟合,此处引入了正则项。然后,将应变值转化为曲率,再通过切角递推公式求得相邻点的位移增量,随后耦合单元坐标增量便可获得全场的形变。最后,通过建立有限元模型进行仿真实验验证,并将此方法的重构结果与曲率法的结果进行对比以验证其有效性。     

膜基反射镜的非线性有限元挠度分析

介绍一种获得较精确的膜基反射镜挠度数值解的方法。通过非线性有限元分析,对三种有限元网格划分方法进行研究比较,建立符合实际情况的有限元模型,给出薄膜分析中施加预应力的方法,分析研究膜基反射镜的挠度特性。首先在简易边界条件下,验证有限元分析结果符合固定支撑圆板挠度弯曲问题的理论值;然后运用此方法分析复杂边界条件下膜基反射镜的表面位移情况,获得膜基反射镜面形特征数据。获得的挠度值相对误差小于0.04%,为深入研究膜基反射镜成型及面形控制做了准备。