左曉舟，姜 峰，張 燕，惠剛陽，劉 欣

(中國兵器工業(yè)第205研究所，陜西 西安 710065)

引言

隨著計算機(jī)在光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，光學(xué)設(shè)計工作進(jìn)入了一個新的階段。目前，設(shè)計高質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)或鏡頭已不是一件十分困難的事情，真正影響光學(xué)系統(tǒng)最終成像質(zhì)量的是制造誤差，而這其中最重要的一項因素就是定心精度[1-3]。例如某國防光學(xué)計量標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，主要用于對紫外OTF測量裝置進(jìn)行標(biāo)定[4]，屬于高精密計量用元件，相較于普通光學(xué)系統(tǒng)，它要求更高的分辨力及成像質(zhì)量，裝調(diào)后要求其各鏡組光軸之間的傾斜偏差≤5″，平移誤差≤3 μm。本文針對高精密標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的定心技術(shù)展開研究，提出了一種車削加工與計算機(jī)輔助裝調(diào)相結(jié)合的高精度定心裝調(diào)技術(shù)，對其原理及各項關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了逐一闡述，最終保證鏡頭的定心精度滿足設(shè)計指標(biāo)。

1 定心原理

該紫外傳函標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的光學(xué)系統(tǒng)由2片單透鏡組成，每片透鏡的表面鍍有中心波長300 nm、透過率96%以上的紫外增透膜，要求裝調(diào)后兩片透鏡之間的傾斜偏差≤5″，平移誤差≤3 μm。

2塊透鏡光軸之間存在的中心偏差分為2部分：平移誤差與傾斜偏差，如圖1所示。在定心裝調(diào)過程中，光軸傾斜偏差首先通過單個鏡組的凹槽端面及平行隔圈進(jìn)行初步保證，其后利用計算機(jī)模擬輔助裝調(diào)的方式，微量修磨隔圈對傾斜偏差進(jìn)行精調(diào)；而平移誤差則通過鏡框外圓的工藝孔來進(jìn)行調(diào)整。具體操作過程如下：

圖1 定心裝調(diào)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of centering alignment model

1) 鏡組Ⅰ、鏡組Ⅱ的定心車削。將鏡組Ⅰ通過定中心工裝裝配到精密車床上，利用反射式定心法確定透鏡光軸后精車凹槽A面，保證A面與光軸垂直度≤5 μm；同理定心精車鏡組Ⅱ的凹槽B面，保證B面與光軸垂直度≤5 μm。

2) 根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)間隔要求加工隔圈C，要求隔圈兩端面的平行差≤0.01 mm。然后將鏡組Ⅰ按圖示裝配關(guān)系裝入鏡組Ⅱ中，這樣2塊透鏡光軸之間的傾斜偏差得以初步保證。

3) 在高精度中心偏測量儀上測量傾斜偏差值，結(jié)合各球心像點的空間坐標(biāo)值，利用三維軟件模擬光軸實際狀態(tài)，定點定量微量修磨隔圈(研磨量不超過0.02 mm)，使傾斜偏差控制在允差范圍內(nèi)。

4) 鏡組Ⅰ與鏡組Ⅱ之間灌封硅橡膠保證可靠性，在膠層固化過程中，利用高精度中心偏測量儀同時對4個透鏡表面的球心像進(jìn)行監(jiān)控，通過鏡組Ⅱ外圓的一圈工藝孔D調(diào)整鏡組Ⅰ的徑向位置，從而控制平移誤差在允差范圍內(nèi)。

根據(jù)上述定心原理，制定了高精密標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的定心裝調(diào)工藝技術(shù)流程，見圖2。

圖2 高精密定心裝調(diào)工藝流程圖Fig.2 Process flow chart of high-precision centering alignment

2 定心關(guān)鍵技術(shù)

2.1 可調(diào)式鏡組結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計

在傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)中，光學(xué)件與金工件的連接形式常采用滾邊法、壓圈法等固定形式[5-6]，這些裝配形式中各透鏡之間不存在調(diào)整環(huán)節(jié)，多是通過透鏡與鏡筒之間徑向的7～9級公差配合以及臺階面或壓圈實現(xiàn)自定心，如圖3(a)所示。 采用此類結(jié)構(gòu)形式的光學(xué)鏡頭，各透鏡之間平移誤差超過0.1 mm，傾斜偏差為1′左右，遠(yuǎn)不能滿足標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的要求。為此，本項目設(shè)計了可調(diào)式的鏡組結(jié)構(gòu)形式，如圖3(b)，透鏡固定在各自的鏡框中形成一個整體，鏡框與鏡筒之間留有較大的間隙，通過工藝孔實現(xiàn)平移調(diào)整；傾斜方向利用可修的平行隔圈，在保證光學(xué)間隔的同時，實現(xiàn)各透鏡之間傾斜偏差的調(diào)整。

圖3 光機(jī)結(jié)構(gòu)形式對比Fig.3 Comparison of different optical-mechatronics structures

2.2 定心工裝的設(shè)計

在車削定心與裝調(diào)定心過程中，需要利用合適的轉(zhuǎn)接工裝滿足鏡組與車床定中心夾具及中心偏測量儀之間的連接。為了保證車削與裝調(diào)過程中的基準(zhǔn)相對固定，所設(shè)計的轉(zhuǎn)接工裝必須連接可靠，否則在車床主軸轉(zhuǎn)動過程及切削過程中就會出現(xiàn)松動及顫刀現(xiàn)象。為此設(shè)計加工了2種定中心接頭，其結(jié)構(gòu)如圖4、5所示。其中車削定中心接頭一端通過M50X1細(xì)牙螺紋與定中心夾具連接，螺紋配合公差等級選擇7H，配合長度不小于20 mm；另一端設(shè)計了2組各4個螺紋孔，分別與鏡組Ⅰ、鏡組Ⅱ連接，裝配時螺釘應(yīng)帶有防松彈墊。裝調(diào)定中心接頭設(shè)計有兩組工藝孔，分別與中心偏測量儀轉(zhuǎn)臺及鏡組連接，實現(xiàn)產(chǎn)品鏡組的裝調(diào)回轉(zhuǎn)要求。

圖4 車削定中心接頭Fig.4 Tooling of centering by turning

圖5 裝調(diào)定中心接頭Fig.5 Tooling of centering by alignment

2.3 球心反射像位置的精確計算

圖6 多球面球心反射像光學(xué)系統(tǒng)圖Fig.6 Optical system diagram of multi-reflection image in center

2.4 車削定心操作

1) 在定心調(diào)試過程中，需要利用平移與傾斜兩個調(diào)整環(huán)節(jié)分別調(diào)節(jié)使單透鏡2個面的球心反射像劃圈變小，如果調(diào)整環(huán)節(jié)選擇不當(dāng)，會使2個像的劃圈相互干擾，越調(diào)越大，效率很低。經(jīng)過摸索和驗證，總結(jié)出了一條合理的調(diào)試技巧：對于透鏡來說，球心位置距離定中心夾具球擺的圓心位置較近的鏡面用平移調(diào)節(jié)，較遠(yuǎn)的鏡面通過傾斜環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整。遵循該調(diào)試技巧，裝調(diào)效率得到了明顯的提升。

2) 該項目車削定心的精度直接決定著兩鏡組光軸之間的傾斜誤差，為了提高車削定心精度，工藝上要求調(diào)試時利用內(nèi)調(diào)焦對心器可變倍率的性能，首先用2倍的轉(zhuǎn)像顯微物鏡找像并粗調(diào)使劃圈變小，再更換5×或10×顯微物鏡精調(diào)，保證反射像劃圈直徑均≤5 μm，達(dá)到目前裝調(diào)的極限水平。

3) 考慮到標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的穩(wěn)定性與可靠性，產(chǎn)品的鏡框材料采用鈦合金。鈦合金材料的切削性能較差，在定心車削時容易出現(xiàn)光軸走動的現(xiàn)象。為此，工藝中制定了“粗調(diào)-粗車-精調(diào)-精車，全程監(jiān)控”的加工路線，確保加工過程不會影響到鏡頭的裝調(diào)精度，圖7所示為車削定心過程示意圖。

圖7 車削定心Fig.7 Centering by turning

2.5 計算機(jī)輔助精密裝調(diào)定心

車削定心過程僅僅初步保證了兩鏡組光軸之間的傾斜誤差，裝調(diào)定心才是該技術(shù)的核心。利用高精度中心偏差測量儀，結(jié)合計算機(jī)模擬輔助裝調(diào)的手段，實現(xiàn)整個鏡組的高精密裝調(diào)定心。

對于傾斜誤差，首先用儀器測量出車削定心后殘余傾斜偏差值，該值在20″～1′之間。然后結(jié)合儀器給出的各球心像點的空間坐標(biāo)值，利用三維軟件模擬出光軸實際狀態(tài)，如圖8所示。此時可直觀地看到兩鏡組光軸朝哪個方向偏，該如何調(diào)整。最后根據(jù)殘余傾斜偏差值計算研磨量(不超過0.02 mm)，定點定量修磨隔圈，使傾斜偏差在允差范圍內(nèi)。

圖8 光軸空間狀態(tài)模擬Fig.8 Simulation of optical axis space state

對于平移偏差，需要同時監(jiān)控測量2個鏡組共4個面的球心反射像劃圈情況，通過結(jié)構(gòu)上預(yù)留的調(diào)整環(huán)節(jié)，使三軸重合(兩鏡組的光軸及中心偏測量儀回轉(zhuǎn)軸)，最終實現(xiàn)了產(chǎn)品預(yù)期的要求。圖9、圖10分別為中心偏差測量的示意圖與球心像最終的劃圈情況。

圖9 中心偏差測量示意圖Fig.9 Schematic diagram of center-errors measurement

圖10 球心像劃圈Fig.10 Circle of center image

3 裝調(diào)結(jié)果

應(yīng)用該定心技術(shù)完成光機(jī)裝調(diào)后，對10臺產(chǎn)品的殘余中心偏差進(jìn)行測量，得到表1的測量結(jié)果。

表1 中心偏差測量結(jié)果Table 1 Measurement results of center-errors

從表1可以看出，最終全部標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的傾斜偏差均≤5″，平移誤差≤3 μm，滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

高精密標(biāo)準(zhǔn)鏡頭定心裝調(diào)技術(shù)是以某紫外傳函計量用標(biāo)準(zhǔn)鏡頭為研究載體，對傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)工藝技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，利用高精度中心偏測量儀結(jié)合精密車床對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行“逐片”裝調(diào)定心，在定心過程中采取了計算機(jī)模擬輔助裝調(diào)及其他一系列手段提高精度及效率，對影響鏡頭中心偏的平移偏差和傾斜誤差分別進(jìn)行了控制，結(jié)果表明，運用該技術(shù)定心后，標(biāo)準(zhǔn)鏡頭各鏡組間的傾斜偏差≤5″，平移誤差≤3 μm。該定心裝調(diào)技術(shù)可結(jié)合非球面、反射式光學(xué)系統(tǒng)的特點進(jìn)一步優(yōu)化，從而使其得到更廣泛的應(yīng)用。

[1] Wei Quanzhong. The research on confirm the center of objective lenses in the high performance optical system[D].Chengdu：University of Electronic Science and Technology, 2003.

魏全忠.高性能光學(xué)系統(tǒng)定中心研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2003.

[2] Zeng Fushan. The research on automatic measuring of the decentration of optical lenses group[D].Wuhan: Huazhong University of Science and Technology,2007.

曾付山.透鏡組中心偏自動化測量的研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2007.

[3] Dong Shi. The research on optical alignment machining and assembly technology[D].Changchun: Changchun University of Science and Technology,2012.

董時. 光定心加工及裝配技術(shù)研究[D].長春：長春理工大學(xué)，2012.

[4] Yang Hong, Kang Dengkui，Jiang Changlu.Study of ultraviolet optical transfer function measurement equipment[J].Journal of Applied Optics,2013, 34(2)：284-286.

楊紅，康登魁，姜昌錄.紫外光學(xué)傳遞函數(shù)測量裝置研究[J].應(yīng)用光學(xué)，2013，34(2)：284-286.

[5] Duan Xueting.Research on consistency assembling and adjustment of coaxial optical system by the aid of computer[D].Beijing:Graduate University of Chinese Academy of Sciences,2006.

段學(xué)霆.共軸光學(xué)系統(tǒng)計算機(jī)輔助光軸一致性裝調(diào)研究[D].北京：中國科學(xué)院研究生院，2006.

[6] Jiang Feng,Bai Bo,Zhang Jinliang,et al. Integration technology of stabilized electro-optical sight system[J]. Journal of Applied Optics, 2007，28(2)：156-158.

姜峰，白波，張錦亮，等.光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)裝調(diào)的關(guān)鍵技術(shù)[J].應(yīng)用光學(xué)，2007，28(2)：156-158.

[7] Zhang Quan,Luo Jinfeng. The measurement of decentration for reflective optical system[J]. Optical Instruments, 2008，30(5)：6-7.

張泉，羅勁峰.反射式光學(xué)系統(tǒng)中心偏的測量[J].光學(xué)儀器，2008，30(5)：6-7.

[8] Sugisaki K, Oshino T. Assembly and alignment of three aspherical mirror optics for extreme ultraviolet projection lithography[J]. SPIE,2000,3998:751-758.

[9] Kumler J J,Affiliation N M.Alignment technique for precision optical assemblies[J].SPIE,1993,1996:67-76.

[10] Zhang Yimo.Applied Optics[M].3rd ed. Beijing:Publishing House of Electronics Industry,2008.

張以謨.應(yīng)用光學(xué)[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2008.