本文格式為Word版，下載可任意編輯——光學(xué)系統(tǒng)偏心測量原理及應(yīng)用

第3期光學(xué)技術(shù)No.3

1998年5月OPTICALTECHNOLOGYMay1998

光學(xué)系統(tǒng)偏心測量原理及應(yīng)用

王肇勛

(中科院長春光機(jī)所,長春130022)

摘要:綜述了光學(xué)系統(tǒng)偏心測試研究方面的發(fā)展概況及目前所達(dá)到的水平。簡要介紹了光學(xué)系統(tǒng)偏心測量及基準(zhǔn)軸變換原理,并探討了一些必要的問題。最終介紹了測量方法的一些具體應(yīng)用,指出了一些測量中應(yīng)注意的問題和技巧,并介紹了幾個具有代表性的,經(jīng)過多年實(shí)踐創(chuàng)造出來的應(yīng)用方法實(shí)例。

關(guān)鍵詞:偏心,測量。

Principleandapplicationofthemeasurementofthecenteringerrorsinopticalsystem

WangZhaoxun

(ChangchunInstituteofOpticsandFineMechanicsChangchun130022)

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

Keywords:centeringerror,measurement.一、前言

光學(xué)領(lǐng)域高技術(shù)飛速發(fā)展的今天,好多要求具有衍射極限分辯才干、測量或成像精度要求極高的系統(tǒng),如投影光刻物鏡、衛(wèi)星攝影測量系統(tǒng)等都需要高水平、高穩(wěn)定性、高可靠性以及高難度的工藝技術(shù)來支持。實(shí)踐證明,做為這樣的工藝技術(shù)之一,光學(xué)系統(tǒng)偏心測試方法及其設(shè)備是必不可少的。經(jīng)過十幾年堅(jiān)持不懈的努

力,中科院光電技術(shù)研究所在光學(xué)系統(tǒng)偏心測試?yán)碚摲椒ㄑ芯?測試設(shè)備研制及具體應(yīng)用各方面都處于國內(nèi)領(lǐng)先水平,并已推廣到全國十幾個廠家和院校使用。為了使更多從事光學(xué)工程事業(yè)的工藝技術(shù)人員對這方面的工作有所了解,筆者特撰文介紹他們近十多年來在這方面的工作,以便使該方法進(jìn)一步的推廣應(yīng)用能夠起到積極作用。

二、光學(xué)系統(tǒng)偏心測量原理

測量光學(xué)系統(tǒng)各面的偏心大多是采用測量各被測

面球心自準(zhǔn)反射像的方法,如圖1所示。被測系統(tǒng)由若干表面(1,2,3,……F)組成,通過光學(xué)偏心檢測儀把指標(biāo)像投影到被測面的曲率中心附近的位置上,然后測量經(jīng)系統(tǒng)出射后指標(biāo)自準(zhǔn)像的偏移量,假使所有各面指標(biāo)自準(zhǔn)像的偏移量都經(jīng)過確切測定,那么各面的球心偏差就可以計(jì)算出來。計(jì)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]M3.1M3.2……………OOF=

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

……-MF.1MF.2

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

其中OO1、OO2、……OOF為以測量基準(zhǔn)軸為原點(diǎn)的各面球心偏心矢量。Mij是第i面球心像經(jīng)過第j面成像時

圖1偏心測量原理圖

的放大率。而N1,N2…NF筆者把它們命名為各面的組合偏心矢量,當(dāng)測量基準(zhǔn)是準(zhǔn)線望遠(yuǎn)鏡一類儀器的視軸

光學(xué)技術(shù)1998年5月時,則Ni是各面的經(jīng)系統(tǒng)出射后指標(biāo)自準(zhǔn)像與該儀器視軸的偏離矢量;假使測量基準(zhǔn)是一個縝密旋轉(zhuǎn)軸且被測系統(tǒng)隨轉(zhuǎn)軸一同旋轉(zhuǎn)進(jìn)行測量時,則Ni是以各面的經(jīng)系統(tǒng)出射后指標(biāo)自準(zhǔn)像劃圓中心為原點(diǎn)的自準(zhǔn)像的位置矢量。

在實(shí)際測量中可以采用兩種不同的方法,一種是靜止法,另一種是旋轉(zhuǎn)法。靜止法是以某些測量儀器的視軸為基準(zhǔn),測量各球心自準(zhǔn)像偏離儀器視軸的偏差,然后進(jìn)行計(jì)算。而旋轉(zhuǎn)法是以一個縝密機(jī)械軸系為測定基準(zhǔn)軸,將被測系統(tǒng)固定在旋轉(zhuǎn)軸上,當(dāng)軸系旋轉(zhuǎn)時,所有反射自準(zhǔn)像都做劃圓運(yùn)動,測出各球心自準(zhǔn)像相對于劃圓中心的相對位置就可以進(jìn)行計(jì)算了。

我們偏重于使用旋轉(zhuǎn)法測量,由于旋轉(zhuǎn)法比靜止法具有更多的優(yōu)越性:其一,從原理上看旋轉(zhuǎn)法測量精度就要比靜止法測量精度高出一倍。其二,只要旋轉(zhuǎn)軸本身具有足夠高的精度,由于球心像位置不同而需要改變測量頭的位置時對其定位精度要求不高,只是要求在每一個面的測量時具有相對的穩(wěn)定性。但就目前機(jī)械加工的水平,對保證加工光學(xué)系統(tǒng)偏心測量用的縝密軸系的精度是沒有任何問題的。其三,是可以實(shí)現(xiàn)對處于光軸方向上任何位置的球心自準(zhǔn)像的測量。特別是對鏡片較多的繁雜系統(tǒng)中,其各面球心像在光軸上的位置可能分布的極廣。由于上述其次條優(yōu)點(diǎn),旋轉(zhuǎn)法所使用的偏心測量儀可以很便利地改變工作距離及倍率等條件,以便與不同位置上球心像的測量相匹配,從而不降低儀器的測量精度。而靜止法要求作為測試基準(zhǔn)的儀器視軸要有極高的穩(wěn)定性,這種困難是極大的。此外假使采用類似調(diào)焦自準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡這樣的儀器做靜止法的測量頭只能在光軸的某一段范圍上進(jìn)行,而在調(diào)焦所達(dá)不到的所謂盲區(qū)范圍內(nèi)就無法測量。而事實(shí)上不可能做出一種在連續(xù)調(diào)焦過程中能看到光軸上從正無窮遠(yuǎn)至負(fù)無窮遠(yuǎn)所有位置上球心自準(zhǔn)像的調(diào)焦式望遠(yuǎn)鏡或其它系統(tǒng)。

三、基準(zhǔn)軸的變換上節(jié)所述測量并經(jīng)過最終計(jì)算出來的偏心結(jié)果都是以測量基準(zhǔn)軸為準(zhǔn)的偏心結(jié)果。假使一個定心很好的鏡頭由于位置擺放不正,其測出的偏心結(jié)果也可能是十分大的,也就是說上面的結(jié)果還不能反映系統(tǒng)真實(shí)的偏心狀況。為此最終還應(yīng)當(dāng)把以測量基準(zhǔn)軸為準(zhǔn)測得的各面偏心結(jié)果歸算成以“光軸〞為基準(zhǔn)的偏心,但“光軸〞是光學(xué)設(shè)計(jì)時規(guī)定的一條理想的基準(zhǔn)軸線,實(shí)際上除單透鏡以外的光學(xué)系統(tǒng)的“光軸〞是不存在也無法測量的。因此我們只能假定并可以計(jì)算出這樣的一條“最正確基準(zhǔn)軸〞使系統(tǒng)各面球心偏離開該軸線的距離平方和為最小,即尋常所使用的最小二乘法原理,因此也有人把這個軸稱之為最小二乘軸的。見圖2。

各球心離開最正確基準(zhǔn)軸的偏差應(yīng)滿足如下條件:

圖2基準(zhǔn)軸變換原理示意圖

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

公式中W1……WF是根據(jù)各面偏心對系統(tǒng)非對稱像差影響而給出的權(quán)重,往往與光學(xué)設(shè)計(jì)最終給出的各面加工的偏心公差直接相關(guān),假使偏心公差分派的比較合理的話,權(quán)重Wi可以用偏心公差的倒數(shù)來表示,即Wi=1/Ci,其中Ci表示各面偏心允差。在某些狀況下,權(quán)重也可以用半徑的倒數(shù)來表示,即Wi=1/ri

。

四、光學(xué)系統(tǒng)偏心測量應(yīng)用實(shí)例

例一:1984年我們接收了一臺摔壞的450mm彈道相機(jī)鏡頭的修理任務(wù),在返修前檢查光學(xué)系統(tǒng)畸變明顯變壞,對系統(tǒng)偏心初步測量結(jié)果說明該鏡頭系統(tǒng)偏心變得一蹋糊涂,并已決定把鏡頭完全拆掉重新調(diào)校。為慎重起見,我們對測試結(jié)果進(jìn)行了一下處理,進(jìn)行最正確基準(zhǔn)軸變換計(jì)算后發(fā)現(xiàn)兩個半組系統(tǒng)偏心都是好的,只不過是前后組之間有些平移錯開的變動。方法是將前組各面權(quán)重均取為零進(jìn)行變換,結(jié)果后組各面偏心都很小,而前組各面偏心雖然都比較大,但數(shù)量大小十分接近并且方向一致;假使將后組各面權(quán)重取為零進(jìn)行變換計(jì)算,結(jié)果前組各面偏心也都很小,而后組各面偏心雖然很大但數(shù)量大小也都十分接近,并且與前面變換結(jié)果方向相反。根據(jù)這樣的分析和判斷重新得出結(jié)論根本不用把鏡頭全部拆掉重新調(diào)校,只要把前后兩組做一下平移調(diào)整就夠,結(jié)果只用了半天時間就把鏡頭恢復(fù)到了出廠時的水平,比大拆大卸重新裝調(diào)理省15天左右的時間,不但避免了人力及工時的浪費(fèi),同時還避免了拆卸時可能會出現(xiàn)的某些危險,如損壞表面、崩邊等等。例二:在高精度雙膠合光學(xué)零件定心膠合工藝中的應(yīng)用。

有些膠合零件對單件的偏心公差要求較低,而對膠合后的偏心公差要求反而極高,對這樣的膠合件一般都在車床上進(jìn)行包邊、定心,并車削鏡框端面和外圓面后再進(jìn)行裝配,或采取修研鏡框并進(jìn)行校正的方法,也就是說對單個光學(xué)件定心精度在冷加工達(dá)不到的要求轉(zhuǎn)移到裝配時來實(shí)現(xiàn)。但對膠合零件三個表面球心即使保證不了與零件外圓的同心,但三個球心本身的同軸度也必需在膠合中給以保證。對這樣膠合件零件的膠合工作

第3期王肇勛:光學(xué)系統(tǒng)偏心測量原理及應(yīng)用我們一般都采用旋轉(zhuǎn)法反射式膠合定心儀來進(jìn)行。過去膠合這樣零件的一般程序是,先將基準(zhǔn)透鏡固定在旋轉(zhuǎn)軸上,并用定心儀監(jiān)視,用調(diào)整機(jī)構(gòu)把基準(zhǔn)透鏡的兩個球心像都調(diào)整到與旋轉(zhuǎn)軸同心,然后膠上被膠合的透鏡,仍用定心儀監(jiān)視并調(diào)整使之上表面的球心與旋轉(zhuǎn)軸同心。為了防止偽定心的出現(xiàn)還需再檢查膠合面是否有膠楔存在,最終可采用系統(tǒng)偏心測試的方法檢測并計(jì)算各面真正的偏心值。該方法精度極高,但操作繁雜,十分費(fèi)工時,效率較低,需要操有高明的技術(shù),耐心和細(xì)致。1988年我們根據(jù)基準(zhǔn)軸變換原理發(fā)展了一種新的膠合調(diào)校方法,其最大的特點(diǎn)是不需要精調(diào)基準(zhǔn)透鏡便能完成這類膠合零件的高精度定心膠合。該方法的膠合程序大致如下:先將F面的基準(zhǔn)透鏡安裝到旋轉(zhuǎn)軸的卡具上,先做大致的調(diào)整,但無需調(diào)的太好,只要二個球心像不偏離定心儀視場中心太遠(yuǎn)即可,然后膠上上面的一塊透鏡,這塊透鏡第一面的球心像也大致調(diào)整到不偏離定心儀視場中心太遠(yuǎn)即可,然后馬上進(jìn)行整組系統(tǒng)偏心測量及計(jì)算。計(jì)算時第一面的權(quán)重取為零,這樣進(jìn)行基準(zhǔn)軸變換的結(jié)果是計(jì)算出以下面基準(zhǔn)透鏡光軸為基準(zhǔn)(即第2、3面球心聯(lián)線)的第一面球心的偏離量,見圖3所示。然后用定心儀監(jiān)視,將第一個面球心調(diào)回這么多量即可。當(dāng)然在調(diào)整中仍要注意不要使膠合面產(chǎn)生膠楔即雙像差,并在整個調(diào)整的過程中始終避免雙像的出表1某膠合物鏡偏心測試結(jié)果

半徑(mm)-39.1729.3823.24

1.4

1.8060

間隔(mm)4

折射率nd1.7468

第一組結(jié)果

偏心(Lm)0.20.90.6

面傾角(″)

16.35.3

其次組結(jié)果

偏心(Lm)

00.20.2

面傾角(″)

01.41.8

圖3

現(xiàn)。使用該方法膠合最好是采用光敏膠膠合,一旦定心

完成就可以固化。

該方法不但精度極高,而且比上一方法提高了工效。我們用該方法膠合了十幾種雙膠合零件,都取得了滿意結(jié)果。表1給出了同步輻射X射線光刻機(jī)上使用的40NA0.6顯微物鏡中的二組膠合透鏡的實(shí)例結(jié)果。

該方法膠合使用了我們自行設(shè)計(jì)研制的新型臺式反射膠合定心儀,該定心儀的縝密旋轉(zhuǎn)軸晃動誤差不大于0.5″,定心儀測量頭定心精度也不低于0.5″。偏心計(jì)算配備了一臺PC-1500小型計(jì)算機(jī),該機(jī)具有足夠的容量,使用固化BASIC語言,在編制使用的程序中,能繪制膠合透鏡的圖形,打印球心像的位置,并可打印出所有輸入及運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù),使用較為便利。

例三:10倍分布重復(fù)投影光刻機(jī)物鏡的裝配

該物鏡是高性能衍射極限級別的光學(xué)鏡頭,世界只有極少數(shù)國家能夠制造,在文獻(xiàn)[5]中,把制造這種鏡頭的高技術(shù)作為微電子學(xué)高技術(shù)前提,這種物鏡對材料、結(jié)構(gòu)、光學(xué)零件冷加工以及最終的裝配精度要求十分之嚴(yán),進(jìn)口價格驚人的昂貴,而且經(jīng)常遭到西方禁運(yùn)的限制,為了研制我國自己的分布重復(fù)投影光刻機(jī),我們成功地研制出為這種儀器配套鏡頭。這里著重介紹一下裝配過程和結(jié)果。整個裝配程序是:

(1)在高精度車床上包邊、定心,精車外圓和端面,然后用數(shù)字干擾儀復(fù)檢面形;

(2)在高精度中心偏檢測儀上一片接一片的進(jìn)行裝配調(diào)校,每一片都要再利用人工縝密修研,精調(diào)定心,并用整組光學(xué)系統(tǒng)偏心測量的方法監(jiān)視和檢測包括前面裝上的各鏡片偏心狀況,如無變化且在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)才能繼續(xù)往下進(jìn)行,直到裝最終一片為止;

(3)全部組裝完成后進(jìn)行一次總的偏心檢測,如合格再檢測其它光學(xué)參數(shù)指標(biāo)要求。其中一個鏡頭系統(tǒng)偏心檢測結(jié)果列于表2。

從表中我們可以看出偏心要求分別在1Lm～25Lm之間,面傾角在1.3～28″