光学系统偏心测量原理及应用

第3期光学技术No.3

1998年5月OPTICALTECHNOLOGYMay1998

光学系统偏心测量原理及应用

王肇勋

(中科院长春光机所,长春130022)

摘　要:综述了光学系统偏心测试研究方面的发展概况及目前所达到的水平。简要介绍了光学系统偏心测量及基准轴变换原理,并讨论了一些必要的问题。最后介绍了测量方法的一些具体应用,指出了一些测量中应注意的问题和技巧,并介绍了几个具有代表性的,经过多年实践创造出来的应用方法实例。

关键词:偏心,测量。

Principleandapplicationofthemeasurementofthecenteringerrorsinopticalsystem

WangZhaoxun

(ChangchunInstituteofOpticsandFineMechanicsChangchun130022)

Abstract:Thedevelopmentoutlineandtheup-to-datelevelinthemeasurementofthecenteringer-rorsinopticalsystemsissummarized.Withbrieflyintroducingtheprincipleofmeasuringthecentreingerrorsintheopticalsystemandtransformationofitisbasicaxis,someoftheproblemsappearedisdis-cusses.Additionally,thispaperintroducessomeapplicationsofthemethodofmeasurementandpointsoutsomequestionsandskillwhichshouldbeconsidered.Atlastsomeexamplesinmeasurementpracticesformanyyearsarepresented.

Keywords:centeringerror,measurement.　　一、前　言

光学领域高技术飞速发展的今天,很多要求具有衍射极限分辨本领、测量或成像精度要求极高的系统,如投影光刻物镜、卫星摄影测量系统等都需要高水平、高稳定性、高可靠性以及高难度的工艺技术来支持。实践证明,做为这样的工艺技术之一,光学系统偏心测试方法及其设备是必不可少的。经过十几年坚持不懈的努

力,中科院光电技术研究所在光学系统偏心测试理论方法研究,测试设备研制及具体应用各方面都处于国内领先水平,并已推广到全国十几个厂家和院校使用。为了使更多从事光学工程事业的工艺技术人员对这方面的工作有所了解,笔者特撰文介绍他们近十多年来在这方面的工作,以便使该方法进一步的推广应用能够起到积极作用。

二、光学系统偏心测量原理

测量光学系统各面的偏心大多是采用测量各被测

面球心自准反射像的方法,如图1所示。被测系统由若干表面(1,2,3,……F)组成,通过光学偏心检测仪把指标像投影到被测面的曲率中心附近的位置上,然后测量经系统出射后指标自准像的偏移量,如果所有各面指标自准像的偏移量都经过精确测定,那么各面的球心偏差就可以计算出来。计算公式如下OO1=1/2N1

OO2=[1/2N2-(1-M2.1)OO1]/M2.1OO3=[1/2N3-(1-M2.1)OO1-M3.1(1-M3.2)OO2]M3.1õM3.2……………OOF=

[1/2NF-(1-MF.1)OO1-MF.1(1-MF.2)OO2

……-MF.1õMF.2

……MF.F-2(1-MF.F-1)OOF-1]/MF.1õMF.2……õMF.F-1

其中OO1、OO2、……OOF为以测量基准轴为原点的各面球心偏心矢量。Mij是第i面球心像经过第j面成像时

图1　偏心测量原理图

的放大率。而N1,N2…NF笔者把它们命名为各面的组合偏心矢量,当测量基准是准线望远镜一类仪器的视轴

　光　　学　　技　　术　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1998年5月时,则Ni是各面的经系统出射后指标自准像与该仪器视轴的偏离矢量;如果测量基准是一个精密旋转轴且被测系统随转轴一同旋转进行测量时,则Ni是以各面的经系统出射后指标自准像划圆中心为原点的自准像的位置矢量。

在实际测量中可以采用两种不同的方法,一种是静止法,另一种是旋转法。静止法是以某些测量仪器的视轴为基准,测量各球心自准像偏离仪器视轴的偏差,然后进行计算。而旋转法是以一个精密机械轴系为测定基准轴,将被测系统固定在旋转轴上,当轴系旋转时,所有反射自准像都做划圆运动,测出各球心自准像相对于划圆中心的相对位置就可以进行计算了。

我们偏重于使用旋转法测量,因为旋转法比静止法具有更多的优越性:其一,从原理上看旋转法测量精度就要比静止法测量精度高出一倍。其二,只要旋转轴本身具有足够高的精度,由于球心像位置不同而需要改变测量头的位置时对其定位精度要求不高,只是要求在每一个面的测量时具有相对的稳定性。但就目前机械加工的水平,对保证加工光学系统偏心测量用的精密轴系的精度是没有任何问题的。其三,是可以实现对处于光轴方向上任何位置的球心自准像的测量。特别是对镜片较多的复杂系统中,其各面球心像在光轴上的位置可能分布的极广。由于上述第二条优点,旋转法所使用的偏心测量仪可以很方便地改变工作距离及倍率等条件,以便与不同位置上球心像的测量相匹配,从而不降低仪器的测量精度。而静止法要求作为测试基准的仪器视轴要有极高的稳定性,这种困难是极大的。此外如果采用类似调焦自准望远镜这样的仪器做静止法的测量头只能在光轴的某一段范围上进行,而在调焦所达不到的所谓盲区范围内就无法测量。而事实上不可能做出一种在连续调焦过程中能看到光轴上从正无穷远至负无穷远所有位置上球心自准像的调焦式望远镜或其它系统。

三、基准轴的变换上节所述测量并经过最后计算出来的偏心结果都是以测量基准轴为准的偏心结果。如果一个定心很好的镜头由于位置摆放不正,其测出的偏心结果也可能是非常大的,也就是说上面的结果还不能反映系统真实的偏心情况。为此最后还应该把以测量基准轴为准测得的各面偏心结果归算成以“光轴”为基准的偏心,但“光轴”是光学设计时规定的一条理想的基准轴线,实际上除单透镜以外的光学系统的“光轴”是不存在也无法测量的。因此我们只能假定并可以计算出这样的一条“最佳基准轴”使系统各面球心偏离开该轴线的距离平方和为最小,即通常所使用的最小二乘法原理,因此也有人把这个轴称之为最小二乘轴的。见图2。

各球心离开最佳基准轴的偏差应满足如下条件:

图2　基准轴变换原理示意图

[(W1OO1X)2+(W2OO2X)2……(WFOOFX)2]　最小[(W1OO1Y)2+(W2OO2Y)2……(WFOOFY)2]　最小

公式中W1……WF是根据各面偏心对系统非对称像差影响而给出的权重,往往与光学设计最终给出的各面加工的偏心公差直接相关,如果偏心公差分配的比较合理的话,权重Wi可以用偏心公差的倒数来表示,即Wi=1/Ci,其中Ci表示各面偏心允差。在某些情况下,权重也可以用半径的倒数来表示,即Wi=1/ri

。

四、光学系统偏心测量应用实例

例一:1984年我们接收了一台摔坏的450mm弹道相机镜头的修理任务,在返修前检查光学系统畸变明显变坏,对系统偏心初步测量结果表明该镜头系统偏心变得一蹋糊涂,并已决定把镜头彻底拆掉重新调校。为慎重起见,我们对测试结果进行了一下处理,进行最佳基准轴变换计算后发现两个半组系统偏心都是好的,只不过是前后组之间有些平移错开的变动。方法是将前组各面权重均取为零进行变换,结果后组各面偏心都很小,而前组各面偏心虽然都比较大,但数量大小十分接近并且方向相同;如果将后组各面权重取为零进行变换计算,结果前组各面偏心也都很小,而后组各面偏心虽然很大但数量大小也都十分接近,并且与前面变换结果方向相反。根据这样的分析和判断重新得出结论根本不用把镜头全部拆掉重新调校,只要把前后两组做一下平移调整就够,结果只用了半天时间就把镜头恢复到了出厂时的水平,比大拆大卸重新装调节省15天左右的时间,不但避免了人力及工时的浪费,同时还避免了拆卸时可能会出现的某些危险,如损坏表面、崩边等等。例二:在高精度双胶合光学零件定心胶合工艺中的应用。

有些胶合零件对单件的偏心公差要求较低,而对胶合后的偏心公差要求反而极高,对这样的胶合件一般都在车床上进行包边、定心,并车削镜框端面和外圆面后再进行装配,或采取修研镜框并进行校正的办法,也就是说对单个光学件定心精度在冷加工达不到的要求转移到装配时来实现。但对胶合零件三个表面球心即使保证不了与零件外圆的同心,但三个球心本身的同轴度也必须在胶合中给以保证。对这样胶合件零件的胶合工作

　第3期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　王肇勋:　　光学系统偏心测量原理及应用我们一般都采用旋转法反射式胶合定心仪来进行。过去胶合这样零件的一般程序是,先将基准透镜固定在旋转轴上,并用定心仪监视,用调整机构把基准透镜的两个球心像都调整到与旋转轴同心,然后胶上被胶合的透镜,仍用定心仪监视并调整使之上表面的球心与旋转轴同心。为了防止伪定心的出现还需再检查胶合面是否有胶楔存在,最后可采用系统偏心测试的方法检测并计算各面真正的偏心值。该方法精度极高,但操作复杂,非常费工时,效率较低,需要操作者有高超的技术,耐心和细致。1988年我们根据基准轴变换原理发展了一种新的胶合调校方法,其最大的特点是不需要精调基准透镜便能完成这类胶合零件的高精度定心胶合。该方法的胶合程序大致如下:先将F面的基准透镜安装到旋转轴的卡具上,先做大致的调整,但无需调的太好,只要二个球心像不偏离定心仪视场中心太远即可,然后胶上上面的一块透镜,这块透镜第一面的球心像也大致调整到不偏离定心仪视场中心太远即可,然后立即进行整组系统偏心测量及计算。计算时第一面的权重取为零,这样进行基准轴变换的结果是计算出以下面基准透镜光轴为基准(即第2、3面球心联线)的第一面球心的偏离量,见图3所示。然后用定心仪监视,将第一个面球心调回这么多量即可。当然在调整中仍要注意不要使胶合面产生胶楔即双像差,并在整个调整的过程中始终避免双像的出　　　　　　表1　某胶合物镜偏心测试结果

半径(mm)-39.1729.3823.24

1.4

1.8060

间隔(mm)4

折射率nd1.7468

第一组结果

偏心(Lm)0.20.90.6

面倾角(″)

16.35.3

第二组结果

偏心(Lm)

00.20.2

面倾角(″)

01.41.8

图3

现。使用该方法胶合最好是采用光敏胶胶合,一旦定心

完成就可以固化。

该方法不但精度极高,而且比上一方法提高了工效。我们用该方法胶合了十几种双胶合零件,都取得了满意结果。表1给出了同步辐射X射线光刻机上使用的40×NA0.6显微物镜中的二组胶合透镜的实例结果。

该方法胶合使用了我们自行设计研制的新型台式反射胶合定心仪,该定心仪的精密旋转轴晃动误差不大于0.5″,定心仪测量头定心精度也不低于0.5″。偏心计算配备了一台PC-1500小型计算机,该机具有足够的容量,使用固化BASIC语言,在编制使用的程序中,能绘制胶合透镜的图形,打印球心像的位置,并可打印出所有输入及运算结果数据,使用较为方便。

例三:10倍分布重复投影光刻机物镜的装配

该物镜是高性能衍射极限级别的光学镜头,世界只有极少数国家能够制造,在文献[5]中,把制造这种镜头的高技术作为微电子学高技术前提,这种物镜对材料、结构、光学零件冷加工以及最后的装配精度要求非常之严,进口价格惊人的昂贵,而且经常遭到西方禁运的限制,为了研制我国自己的分布重复投影光刻机,我们成功地研制出为这种仪器配套镜头。这里着重介绍一下装配过程和结果。整个装配程序是:

(1)在高精度车床上包边、定心,精车外圆和端面,然后用数字干涉仪复检面形;

(2)在高精度中心偏检测仪上一片接一片的进行装配调校,每一片都要再利用人工精密修研,精调定心,并用整组光学系统偏心测量的方法监视和检测包括前面装上的各镜片偏心情况,如无变化且在设计要求范围内才能继续往下进行,直到装最后一片为止;

(3)全部组装完成后进行一次总的偏心检测,如合格再检测其它光学参数指标要求。其中一个镜头系统偏心检测结果列于表2。

从表中我们可以看出偏心要求分别在1Lm～25Lm之间,面倾角在1.3～28″之间,平均6.7″,实际装配结果各面偏心控制到了0.47Lm～16.75Lm之间,换算成各面倾角为0.36″～29.63″之间,平均为4.2″。该镜头经性

(下转第77页)

　第3期　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　张景文等:　　高精度航空摄影镜头的胶合和定心一看,如有微动稍加调整,待8h以后,胶就慢慢地固化了。这时就可以推一实验片,第二片透镜就胶好了。　　待第二天仍然按上述工艺方法,胶合第三片如图2所示。胶合好第三片透镜,用螺钉紧固住,这时可用对心器对每一个面复查一遍,四个面的球心像是不是在光轴上。是否与对心仪的机械轴同心。8h以后固化,一组三胶合透镜组就胶好了。

我们这几年先后胶了4组3胶合透镜。胶了5组5胶合透镜,口径最大5125mm。

胶合好以后,透镜组装夹在对心仪旋转台上进行测试,测0°、180°、360°对每一个面都要测试。测得数值记录下来,把这些数值用计算机处理,测出每个面的偏心量和角偏心量。对如图2所示胶合透镜的测量结果是:第一面R1440mm,线偏心0.0016mm,角偏心0.73″;第

二面R2131.069mm,线偏心0.0004mm,角偏心0.58″;

第三面R377.361mm,线偏心0.0001mm,角偏心0.15″;第四面R4216.73mm,线偏心0.0003mm,角偏心0.31″。

参考文献

1　村上敏费.高精度球面加工.光技术 µ¨,1994,32

(8):43～46

2　品田邦典,今富芳幸.光学元件研磨加工技术,光学,1996,

25(2):76～81

3　滕霖,任敬心.超精度光学抛光研究的进展趋势.航空精密

制造技术,1996,32(3):5～9

4　伍凡,许全益,刘燕秋.大口径高精度光学透镜光胶工艺技

术.应用光学,1996,17(4):42～45

5　龚春荣,刘明远,何钺.球面光学零件抛光时的相线速度及

其它影响因素.光学技术,1996,(4):44～47

(上接第69页)

　表2　某10倍投影光刻物镜偏心要求及装配结果

装配达到装配达到(mm)1234567891011121314151617181920212223

1656720470821136354232671253861683826637433900631214428353209

(Lm)222252421310421202253666310

数值(Lm)1.111.130.960.563.862.022.013.690.512.064.041.510.510.4716.751.526.810.814.476.334.751.084.29

(″)2.56.22.05.91.33.02.31.83.15.05.34.910.77.86.59.71.39.910.328.14.411.79.9

数值(″)1.393.500.971.650.973.051.173.291.593.412.161.862.733.665.427.360.362.787.6329.633.464.214.24

能测试结果表明,在0.85视场内目视分辨率达到1120对线/mm,边缘视场达到1060对线/mm,其传递函数测试结果为:

300对线/mm空间频率的MTF值为52.2400对线/mm空间频率的MTF值为45.2500对线/mm空间频率的MTF值为38.5600对线/mm空间频率的MTF值为31.8通过实际曝光光刻结果表明,使用标准检测板(GCA4800-005),全视场内可刻出1.25Lm可实用线条。在工艺条件较好的情况下可刻出1Lm可实用线条。

参考文献

1　AIngalls,Pestrecov.CenteringofOpticalSystems.J,Opt.

Soc.Am.1948(38):343

2　浅野俊雄.ÌÓ 工学N理论H实际(16).光学技术 Ó

¨,1982(5):44～47

3　王肇勋.整组物镜各面偏心测量.光学工程,1980(1):1-114　王肇勋,魏全忠.整组物镜各面偏心测量(续).光学工程,

1984(5):32-40

5　WolfgangEmmerich,ChristianHofmann.Hightechnology

inOptics-prerequisiteforhightechnologyinmicro-elec-tronics.JR,1986(4):193-1966　西德标准.DIN3140.Tell9,1978

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/4gb4.html