成像物鏡集成公差分配與定心裝調(diào)技術(shù)研究

李星辰，武 震，高愛梅，申 淙，張 乾

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京 100176)

在半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域，高分辨率成像物鏡廣泛應(yīng)用于套刻對(duì)準(zhǔn)、視覺檢測(cè)、標(biāo)記識(shí)別等模塊，成像質(zhì)量高、產(chǎn)品穩(wěn)定性好的光學(xué)鏡頭已成為設(shè)備的普遍要求。目前，設(shè)計(jì)高質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)已不是一件難事，真正影響光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的是制造和集成誤差，而這其中最重要的一項(xiàng)因素就是鏡片的定心誤差。

目前，光學(xué)鏡頭裝調(diào)技術(shù)分為灌裝式和定心車削式，定心車削裝調(diào)是利用定心車床對(duì)鏡框進(jìn)行車削的定心裝調(diào)技術(shù)，定心車削光軸誤差裝調(diào)精度更高，但是由于定心車削需額外設(shè)計(jì)鏡框與鏡筒配合，故整個(gè)鏡頭結(jié)構(gòu)尺寸較大，不適合一些約束鏡頭尺寸的應(yīng)用場(chǎng)景；而灌裝式是將鏡片直接灌裝入鏡筒內(nèi)，靠鏡筒與鏡片的配合間隙保證光軸偏心和傾斜，灌裝式的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)小巧，成本較低。本文以灌裝式鏡頭為例，進(jìn)行成像物鏡的公差分析、公差分配、定心裝調(diào)和成像質(zhì)量等方面研究，整個(gè)設(shè)計(jì)、加工、制造等過程完全實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

1 光學(xué)鏡頭裝配公差分配

光學(xué)鏡頭一般由多個(gè)鏡片和機(jī)械零件通過配合結(jié)構(gòu)裝配而成的，誤差會(huì)伴隨裝配過程的進(jìn)行不斷疊加和累積，最終影響系統(tǒng)成像質(zhì)量[1]，從而影響設(shè)備的對(duì)準(zhǔn)精度。光學(xué)鏡頭的裝配誤差主要由零件誤差和裝配誤差[2-4]兩大類構(gòu)成，如圖1所示。零件誤差指光學(xué)鏡片的加工誤差，包含曲率半徑、中心厚度、表面光軸偏心、表面傾斜、局部面型、玻璃折射率、玻璃阿貝常數(shù)等，這些誤差一旦形成，將成為系統(tǒng)的固有誤差，而且會(huì)導(dǎo)致鏡頭在按照分配好的裝配公差集成后也無法達(dá)到理想效果；裝配誤差為鏡片在鏡筒內(nèi)的姿態(tài)偏差，包括鏡片光軸偏心、鏡片傾斜和空氣間隔誤差。為此，降低裝配誤差對(duì)成像質(zhì)量的影響就成為提高光學(xué)鏡頭性能的重要途徑[5]。

圖1 鏡頭誤差模型

2 加工公差分配方法

2.1 鏡頭設(shè)計(jì)結(jié)果

設(shè)計(jì)了一套高品質(zhì)的顯微鏡頭組，鏡頭組的設(shè)計(jì)分辨率為2μm，要求2μm密集線條的對(duì)比度大于0.3。該成像鏡頭組采用無限共軛結(jié)構(gòu)，由高分辨率物鏡和20倍管鏡組成，其中鏡頭組的成像性能主要由物鏡決定，管鏡起放大作用，物鏡的裝配誤差直接影響系統(tǒng)的最終成像性能。物鏡的光學(xué)系統(tǒng)如圖2所示，該光學(xué)系統(tǒng)共有6片光學(xué)鏡片，系統(tǒng)中鏡片的空氣間隔靠機(jī)械隔圈保證，鏡片和隔圈靠灌裝方式與鏡筒進(jìn)行集成。

圖2 物鏡光路示意圖

該顯微鏡頭組的性能設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3所示，像方彌散斑大小為6.3μm，艾利斑大小37μm，傳遞函數(shù)結(jié)果顯示，2μm線條的對(duì)比度為0.52，接近衍射極限。彌散斑大小和傳遞函數(shù)均滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 鏡頭組性能設(shè)計(jì)結(jié)果

2.2 公差仿真分析

經(jīng)過評(píng)估和系統(tǒng)的綜合考慮，確定了表1中的各項(xiàng)仿真公差數(shù)據(jù)，并將表1中公差代入仿真軟件Zemax進(jìn)行公差仿真分析。

表1 仿真公差輸入結(jié)果

公差仿真結(jié)果如圖4所示，結(jié)果顯示，按照表1中各項(xiàng)公差進(jìn)行加工集成后，該顯微鏡頭系統(tǒng)組的2μm線條的對(duì)比度90%概率可達(dá)到0.34以上，滿足系統(tǒng)要求指標(biāo)≥0.3。因此，公差設(shè)計(jì)結(jié)果滿足要求，可按該公差設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行零件加工公差分配。

圖4 公差仿真分析結(jié)果

2.3 加工公差分配

鏡片和隔圈與鏡頭的結(jié)構(gòu)配合如圖5所示，鏡片外徑與鏡筒內(nèi)徑相配合，鏡片的表面直接與隔圈相連接。由圖1可知，鏡頭組的裝配誤差主要包含配合光軸偏心、傾斜和空氣間隔。而影響鏡頭裝配誤差的主要因素是鏡筒的內(nèi)徑、鏡片的外徑、鏡片的自有光軸偏心和隔圈厚度；其中鏡片的自有光軸偏心和隔圈厚度靠加工保障，鏡筒的內(nèi)徑和鏡片的外徑為光軸偏心和傾斜誤差的主要影響因素。

圖5 鏡筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)

進(jìn)一步對(duì)裝配公差進(jìn)行加工指標(biāo)分解。鏡頭組各零部件的加工公差如表2所示，鏡片的外徑的加工公差為負(fù)公差，為10~20μm；鏡筒內(nèi)徑的加工公差為正公差，為5~10μm；隔圈和鏡片厚度的公差均為±20μm。

表2 零件加工公差分配

3 加工制造驗(yàn)證

鏡頭的各零部件按需求加工完成后，利用高精度中心偏差測(cè)量?jī)x，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬輔助裝調(diào)的手段，實(shí)現(xiàn)了成像物鏡中各鏡片的高精度裝調(diào)定心。中心偏差測(cè)量?jī)x測(cè)量原理如圖7所示，當(dāng)固定鏡頭的空氣轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，被測(cè)表面的曲率半徑為R，曲率中心的像相對(duì)參考軸會(huì)畫一個(gè)半徑為r的圓，被測(cè)表面相對(duì)于參考軸的表面偏心偏差即為r，表面傾斜偏差為

圖6 中心偏差測(cè)量示意圖

圖7 中心偏差測(cè)量原理

對(duì)于鏡片在鏡組中的姿態(tài)，如圖8所示，每個(gè)單鏡片的兩個(gè)表面的球心像連線即為該鏡片的光軸，該光軸相對(duì)于基準(zhǔn)軸的偏心和傾斜可通過中心偏差測(cè)量?jī)x測(cè)得并實(shí)時(shí)調(diào)整鏡片的姿態(tài)，以保證每片鏡片都能滿足裝配公差要求。

圖8 鏡組中鏡片的光軸示意

通過測(cè)試和計(jì)算機(jī)模擬輔助裝調(diào)，鏡頭最終集成的測(cè)量結(jié)果如表3所示，各鏡片的光軸偏心和傾斜均滿足分配的公差要求。

表3 中心偏差測(cè)量結(jié)果

將中心偏差測(cè)量?jī)x上的光軸偏心傾斜和空氣間隔測(cè)試結(jié)果直接代入光學(xué)仿真軟件Zemax中進(jìn)行當(dāng)前裝配結(jié)果的仿真分析，得到圖9所示的結(jié)果：2μm線條的對(duì)比度為0.36。

圖9 代入公差后的仿真結(jié)果

將顯微鏡頭組各鏡頭集成測(cè)試后，集成到系統(tǒng)中進(jìn)行圖像性能測(cè)試。對(duì)比度測(cè)試結(jié)果如圖10所示，1.9μm密集線條的對(duì)比度為0.38，與仿真軟件結(jié)果對(duì)比如表4所示，各項(xiàng)指標(biāo)均與仿真結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

圖10 2μm密集線條對(duì)比度結(jié)果

表4 成像性能測(cè)試結(jié)果表

4 結(jié)束語

高分辨率成像物鏡公差分配和定心裝調(diào)技術(shù)是以分辨率為2μm的顯微鏡頭為研究載體，對(duì)傳統(tǒng)的鏡頭裝配技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，該技術(shù)將鏡頭設(shè)計(jì)、加工、裝調(diào)和成像性能驗(yàn)證有機(jī)結(jié)合形成閉環(huán)。在鏡頭裝調(diào)的過程中利用高精度中心偏差測(cè)量?jī)x結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真軟件對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了“逐片”檢測(cè)裝調(diào)，并對(duì)裝調(diào)后的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)測(cè)和仿真結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證。結(jié)果表明，運(yùn)用該公差分配和定心裝調(diào)技術(shù)，灌裝式成像物鏡各鏡組間的傾斜偏差≤144″，偏心誤差≤20μm，并且成像質(zhì)量好，各項(xiàng)性能均優(yōu)于傳統(tǒng)鏡頭，能夠滿足像質(zhì)要求較高的光學(xué)鏡頭需求。