共轴光学系统装配精度分析及装调过程优化

发布时间：2020-09-18 12:54

　　 共轴光学系统是许多高端光机的核心部件,目前,航空航天和光刻技术对共轴光学系统的成像质量要求越发严苛。加工和装配过程引入的光轴一致性误差会破坏系统多光轴的一致性状态,必须通过装配调整进行控制。传统装调方法装调精度低,装调周期长,现已逐渐被计算机辅助装调(CAA)所取代。然而,共轴光学系统光学元件数目多,装配关系复杂,受零部件结合面误差影响较大,适用于简单离轴光学系统装调的CAA技术无法准确求解共轴光学系统失调量。所以研究共轴光学系统装调方法对于提高系统成像性能,缩短装调周期有重要意义。本文主要以光轴一致性误差为主导,通过分析和控制典型共轴光学系统的装配精度对装调过程进行优化。首先,针对由镜组部件组成的典型共轴光学系统结构,提出以定中心基准轴传递路径作为分析结合面误差对光轴倾斜误差影响的载体,并提出光轴倾斜误差全局补偿优化的装调思路。其次分析了零件表面误差的描述方法,提出以最小二乘拟合平面作为实际装配平面,并研究了相关测算方法;根据齐次坐标变换法,建立描述单个零件加工误差和相邻零件装配误差的位姿变换矩阵,进而建立了光轴偏角与相对装入角度关系的计算模型。然后根据传递路径类型,建立以光轴偏角最小为目标函数的优化模型,提出遗传算法等优化方法;采用了 MTF作为系统像质综合评价标准,利用灵敏度分析法寻找高敏光轴倾斜误差项,由此分解得到若干子传递路径,设计光轴偏角优化顺序,得到一组合适的相对装入角度及其误差范围。最后总结提出了共轴光学系统光轴一致性装调方法的具体操作步骤,并利用Zemax和MATLAB对一个投影物镜进行了装调仿真优化分析和验证,证明了本文提出的利用零部件加工误差的全局优化方法可有效补偿光轴倾斜误差,也验证了计算模型和装调方法的可行性和实用性。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH74
【部分图文】：

其中，具有一条对称轴线的称为共轴光学系统［１］。共轴光学系统的发展有逡逑着悠久的历史自光学学科诞生起，基于共轴光学系统的光学仪器一一伽利略型望逡逑远镜和开普勒型望远镜（图１．０就己出现了。绝大部分透镜系统都属于共轴光逡逑学系统，随着科学技术的发展，共轴光学系统也越发趋于复杂化和精密化。逡逑伽利略型逡逑开普勒型逡逑物镜逡逑一＊逦接目透镜逡逑图１．１两种望远镜的结构图逡逑目前，精密共轴光学系统的应用领域主要有：航空航天、武器制导、光刻技逡逑术和精密检测等，具体作为光学镜头应用于航天光学遥感器、红外光学系统、微逡逑光夜视仪、望远镜、光刻机（图１．２）和精密光学测量系统等，发挥遥感、识别逡逑和测控等作用。精密光学系统的成像质量要求为像清晰，物像相似，变形小。逡逑１逡逑

逡逑图１．２某投影光刻机物镜结构图逡逑其中，高端光刻机被称为“世界上最精密的仪器”和“光学工程技术皇冠上逡逑的明珠”。半导体光刻的工艺水平高低，决定了在单位圆晶片上能够集成晶体管的逡逑数目。光刻技术是集成电路的关键技术之一，光刻成本占据了整个制造成本的逡逑３５％。欧洲最大半导体设备厂艾司摩尔（ＡＳＭＬ）研制的最新的极紫外光（ＥＵＶ）逡逑光刻机的单价己达１亿欧元。目前ＡＳＭＬ将最先进的光刻机可实现约１４ｎｍ的分逡逑辨率。因为西方国家进口限制、缺乏核心设备（光源、物镜）生产能力和科研资逡逑金有限等原因，目前中国光刻机企业中处于技术领先的上海微电子装备有限公司，逡逑已量产的光刻机中性能最好的是分辨率为９０ｎｍ的光刻机，如图１．３所示。逡逑＿邋Ｓ逡逑Ｌ：＾＾一＾＾逡逑ｍ邋｜邋－逦？逡逑图１．３上海微电子的ＳＳＡ６００／２０步进扫描投影光刻机逡逑共轴光学系统是包括光刻机在内的许多高端光机的核心部件，要研发得到一逡逑款高性能共轴光学系统，其零件、部件和系统的设计、制造、装配、检验和测量逡逑方面的技术保证缺一不可

因为西方国家进口限制、缺乏核心设备（光源、物镜）生产能力和科研资逡逑金有限等原因，目前中国光刻机企业中处于技术领先的上海微电子装备有限公司，逡逑已量产的光刻机中性能最好的是分辨率为９０ｎｍ的光刻机，如图１．３所示。逡逑＿邋Ｓ逡逑Ｌ：＾＾一＾＾逡逑ｍ邋｜邋－逦？逡逑图１．３上海微电子的ＳＳＡ６００／２０步进扫描投影光刻机逡逑共轴光学系统是包括光刻机在内的许多高端光机的核心部件，要研发得到一逡逑款高性能共轴光学系统，其零件、部件和系统的设计、制造、装配、检验和测量逡逑方面的技术保证缺一不可，时下这几方面均存在许多亟待研究的课题。光学系统逡逑设计、光学加工技术、光学检测方法以及装配工艺直接影响着光学系统的成像质逡逑量，高精密光学系统的系统成像质量主要受光学加工误差和装配技术的影响。光逡逑学加工和光学检测技术短期内难以提升，可以将提高光学成像质量的重心放在光逡逑学系统的装配上，即利用现有加工技术制造各组成光学元件，然后通过检测获得逡逑加工误差，最后通过有效的装调方法来获取高成像质量的光学系统［２］。逡逑航天遥感器相机物镜、光刻机物镜均要求达到接近衍射极限的成像质量

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