高精密標(biāo)準(zhǔn)鏡頭定心裝調(diào)技術(shù)研究

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行初步保證，其后利用計算機模擬輔助裝調(diào)的方式，微量修磨隔圈對傾斜偏差進行精調(diào)；而平移誤差則通過鏡框外圓的工藝孔來進行調(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)，較遠的鏡面通過傾斜環(huán)節(jié)進行調(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)完成光機裝調(diào)后，對10臺產(chǎn)品的殘余中心偏差進行測量，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)進行“逐片”裝調(diào)定心，在定心過程中采取了計算機模擬輔助裝調(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.