CN101387761A - 光学系统对心装调的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光学系统对心装调的装置和方法，所述光学系统对心装调装置包括自准直显微镜和具有空气轴承的转台，其中所述自准直显微镜的光轴与所述空气轴承的旋转轴精确对准，所述自准直显微镜包括照明模块，带刻丝的掩膜板，分光棱镜，调焦物镜组，显微物镜组，半透半反镜，测量分划板，CCD及显微目镜组，保证所述光学系统对心装调装置的偏心测量精度和镜片装调精度，所述转台用于放置被检透镜。本发明的对心装调装置提供一种自准直显微镜，将它运用到高精度定心仪中，它与高精度的空气轴承共同使用，能有效提高该定心设备的定心精度，以满足高精度光学系统镜片的装校要求。

Description

光学系统对心装调的装置和方法

技术领域

本发明涉及光学系统领域，且特别涉及一种光学系统对心装调的装置和方法。

背景技术

光学系统的中心偏差缺陷严重的影响着光学仪器的质量，影响了光学设计的理论基础——共轴理论，造成光学系统成像质量下降。因此设计和制造高精度的定心设备，是为了保证光学镜头各个镜片的光轴一致，从而减小镜头装校过程中产生的中心偏差。中心偏差的原理如图1所示。对于高精度光学系统，尤其是光刻镜头的装配，其偏心量应保证在微米量级，只有通过高精度定心设备(精度≤1μm)的实时监控才能保证。

定心仪是通过检测球面透镜的两面的球心是否位于透镜光轴上来定量测量加工中的偏心程度。它可以在测量后定心磨边，还可用于滚边、胶合以及装校中的偏心检验。

据有关文献介绍，一般常用的定心仪器采用如图2所示装置(《光电工程》第25卷第6期，《电视内调焦定心仪及其应用》，魏全忠，叶华寿)，该装置包括部件有：照明灯1，反射聚光镜2，转向反射镜3，反射分划板4，调焦物镜组5，被检透镜6，转向显微物镜组7，测量分划板8，目镜9。照明灯1发出的光，经过反射聚光镜2和反射分划板4，反射分划板4上具有十字刻线形狭缝；反射分划板4的十字线经调焦物镜组成像于被检透镜6的表面球心O处，然后到达被检透镜6的表面，并被其沿原路反射回来，并再经过调焦物镜5成像于反射分划板4的表面上，该像再经过转向显微物镜组7成像于测量分划板8上，观察者通过目镜9可以看清这个像，然后根据所成像对被检透镜6进行调整，即可完成光学透镜的对心工作。

该结构成的是球心像，其测量精度由调焦物镜组5、转向显微物镜组7的放大倍率及测量分划板8的格值共同决定，精度一般在5μm上下。但是这种对心装置不能满足光刻物镜之类的高精密光学系统定心装调的需要。因此，如何解决现有光学定心仪的缺点，提高它的精度已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

提高定心仪的精度有两种途径，一种是提高光学成像部分的测量精度，一种是提高工作转台的主轴精度。实用新型专利CN201016713中介绍了一种具有空气轴承转台的光学定中仪，其主要特点在于给出了一个高精度的气浮转台，但是没有给出光学成像部分的具体结构和测量精度。

发明内容

本发明提出一种光学系统对心装调的装置和方法，其提供一种自准直显微镜，将它运用到高精度定心仪中，它与高精度的空气轴承共同使用，能有效提高该定心设备的定心精度，以满足高精度光学系统镜片的装校要求。

为了达到上述目的，本发明提出一种光学系统对心装调装置，所述光学系统对心装调装置包括自准直显微镜和具有空气轴承的转台，其中所述自准直显微镜的光轴与所述空气轴承的旋转轴精确对准，其特征在于：所述自准直显微镜包括照明模块，带刻丝的掩膜板，调焦物镜组，显微物镜组，测量分划板，显微目镜组，所述转台用于放置被检透镜。

进一步的，所述空气轴承的主轴精度小于等于0.1μm，保证所述光学系统对心装调装置的偏心测量精度和镜片装调精度

进一步的，所述自准直显微镜还包括CCD，显微目镜组为目视通道，CCD为光电通道，所述目视通道在调整方式时工作，所述光电通道在自动方式时工作。

进一步的，所述自准直显微镜还包括分光棱镜、半透半反镜，所述照明模块由反射聚光镜、灯泡和聚光透镜组成，用以发出平行光束，该光束照在带刻丝的掩膜板的平面上，从刻丝透过的光线经分光棱镜反射，通过调焦镜组成像在被检透镜上，从被检透镜反射回的光线依次经过调焦镜组，分光棱镜和显微物镜组，再经过半透半反镜分别进入目视通道或进入光电通道成像。

进一步的，所述自准直显微镜设置于导轨支架并可上下移动以适应被检透镜不同曲率半径的要求。

进一步的，所述导轨支架上安装有光栅尺，用于测量被检透镜的厚度、曲率半径、焦长。

进一步的，所述调焦物镜的位置可以沿着所述自准直显微镜的光轴移动调整来改变所述自准直显微镜的焦距，所述调整使用电机驱动或者手动调整。

进一步的，所述显微物镜组的放大倍率为30-60倍。

进一步的，所用测量分划板的最小格值在1-5μm范围内。

进一步的，所述空气轴承的主轴为气浮轴承，该主轴由电机驱动，所述电机的转速在0-1500之间调整。

进一步的，所述转台上设置有调整装置用于对被检透镜进行倾斜和径向调整。

所述光学系统对心装调装置包括自准直显微镜和具有空气轴承的转台，其中所述自准直显微镜的光轴与所述空气轴承的旋转轴精确对准，所述自准直显微镜包括照明模块，带刻丝的掩膜板，分光棱镜，调焦物镜组，显微物镜组，半透半反镜，测量分划板，CCD及显微目镜组，保证所述光学系统对心装调装置的偏心测量精度和镜片装调精度，所述转台用于放置被检透镜。

进一步的，所述空气轴承的主轴精度小于等于0.1μm

进一步的，所述自准直显微镜具有目视通道和光电通道，所述目视通道在调整方式时工作，所述光电通道在自动方式时工作。

进一步的，所述照明模块由反射聚光镜、灯泡和聚光透镜组成，用以发出平行光束，该光束照在带刻丝的掩膜板的平面上，从刻丝透过的光线经分光棱镜反射，通过调焦镜组成像在被检透镜上，从被检透镜反射回的光线依次经过调焦镜组，分光棱镜和显微物镜组，再经过半透半反镜分别进入目视通道或进入光电通道成像。

进一步的，所述自准直显微镜设置于导轨支架并可上下移动以适应被检透镜不同曲率半径的要求。

进一步的，所述导轨支架上安装有光栅尺，用于测量被检透镜的厚度、曲率半径、焦长。

进一步的，所述调焦物镜的位置可以沿着所述自准直显微镜的光轴移动调整来改变所述自准直显微镜的焦距，所述调整使用电机驱动或者手动调整。

进一步的，所述显微物镜组的放大倍率为30-60倍。

进一步的，所用测量分划板的最小格值为1-5μm。

进一步的，所述空气轴承的主轴为气浮轴承，其径向摆动小于等于0.1μm，该主轴由电机驱动，所述电机的转速在0-1500之间调整。

进一步的，所述转台上设置有调整装置用于对被检透镜进行倾斜和径向调整。

为了达到上述目的，本发明更提出一种光学系统对心装调的方法，使用光学系统对心装调装置，当移动整个自准直显微镜或调焦镜组使被检透镜被测面的球心与显微镜自准直点对准时，掩膜板的像就从被测镜片表面反射，然后成像于测量分划板的表面上，并在目视通道或光电通道被观察到。通过判断该目视通道或光电通道得到的成像效果，实时得到被测镜片的对心精度，并根据所成像对被检透镜进行调整，完成光学透镜的对心装调。

进一步的，该方法包括转动主轴，若被测镜片存在偏心或者倾斜，测量分划板上成的像会划成一个圆，划圆量用于反映偏心及倾斜的大小，然后根据该划圆量对透镜进行倾斜和径向调整，使得划圆量为零，从而完成对心装调。

进一步的，被检透镜为单个或多个镜片。

本发明的有益效果为本发明提出的光学系统对心装调的装置和方法精度高，偏心测量精度能达到0.1-0.5微米和1-5角秒，能满足高精度光学系统如光刻投影物镜镜片的装校要求。本发明的对心装调装置可以进行单个镜片与镜框的定心装校，还可以进行多个镜片的同轴对心，并能实时给出对心过程中的偏心量和倾斜量，有效控制装配精度。

本发明提出的光学系统对心装调的装置和方法的功能可以扩展。本发明的定心装置不仅可用于镜片和镜座之间的定心装校，还可用于多个镜片之间的定心装校，以及镜片和镜筒之间的组合装校。本发明装置经过改进，可用于镜片的定心磨边、滚边、胶合的测量检验。如果在本发明对心装置的导轨支架上安装光栅尺，则它的功能还可进一步扩展，如测镜片的厚度、曲率半径、焦长等，可根据工程需要决定具体设置。

本发明另外一个优点是自动化程度高。其上下移动和调焦工作可在软件的协助下自动完成。其偏心量可由CCD拍摄并由软件自动计算出偏心值，并能给倾斜和径向调整机构提供反馈。

附图说明

图1所示为中心偏差的原理图，图中：10-参考轴＝旋转轴，20-面倾角，30-样品表面，40-曲率中心，50-曲率中心和参考轴之间的距离。

图2所示为现有技术定心装置的结构示意图。

图3所示为本发明第一较佳实施例中对心装调装置的自准直显微镜的结构示意图。

图4所示为本发明较佳实施例中对心装调装置的结构示意图。

图5所示为本发明第二较佳实施例中对心装调装置的自准直显微镜的结构示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举较佳具体实施例并配合所附图式说明如下。

本发明较佳实施例的对心装调装置的自准直显微镜有两个通道：目视通道和光电通道。目视通道用来在调整方式时工作，光电通道用在自动工作方式。

如图3所示，本发明较佳实施例的对心装调装置的自准直显微镜部分由反射聚光镜101，灯泡102，聚光透镜103和104，带刻丝的掩膜板108，分光棱镜109，被检透镜105，调焦物镜106和107，显微物镜110和111，半透半反镜112，CCD成像物镜113，CCD114，目视成像物镜115和116，测量分划板117，目镜118和119，出瞳120组成。灯泡102采用钨卤素灯。反射聚光镜101，灯泡102，聚光透镜103和104组成光源组件A1，调焦物镜106和107组成调焦镜组B1，显微物镜110和111组成显物镜组C1，目镜118和119组成目镜组D1。

由聚光透镜103和104组成的聚光镜使灯泡102发出的光形成平行光束。该光束照在带刻丝的掩膜板108的平面上。带刻丝的掩膜板108的图像经分光棱镜109反射，通过调焦镜组B1成像在被检透镜105上。被测面的位置和显微镜的放大倍率通过调焦镜组B1沿光轴移动可以进行调整。

当移动整个显微镜或调焦镜组B1使被检透镜105的球心与显微镜自准直点对准时，掩膜板108的像就从该自准直点相应表面反射，经过调焦镜组B1，分光棱镜109和显物镜组C1，再经过半透半反镜112分别进入目视通道成像在目镜组D1的测量分划板117上，或进入光电通道成像在CCD114的靶面上。

图3中除被检透镜105之外的光学件被集成在一个显微镜筒中，该镜筒的显微镜组C1和目镜组D1是可更换的，调焦镜组B1可以轴向运动，这种运动可以用电机驱动也可以用手调实现。

工作时，自准直显微镜的位置可以上下移动以适应被检透镜105不同曲率半径的要求；调焦物镜106和107的位置也可以调整来改变显微镜的焦距。当移动整个显微镜或调焦镜组B1使被检透镜105的球心与显微镜自准直点对准时，掩膜板108的像就从被检透镜105表面反射，并在目视通道或光电通道被观察到。为了使本发明的自准直显微镜达到足够高的测量精度，显微镜组C1需要满足一定的放大倍率，最好在30-60倍；所用测量分划板117的最小格值最好是1-5μm。

依据较佳实施例的对心装调装置的自准直显微镜而形成的一种高精度对心装调设备如图4所示。其组成为：气浮轴承301，旋转平台302，倾斜和径向调整装置303，被检透镜304，目视镜305，自准直显微镜306，线性步进电机307，导轨支架308。

为了能适应被检透镜304不同曲率半径的要求，显微镜筒可在导轨支架308上上下移动，并且可以微调镜组B1来改变显微镜的焦距。为了适应不同精度的测量和不同场合下的使用，显微镜组C1可以更换成不同倍率。

被检透镜304被置于一个精密转台302上，它采用气浮轴承301，其主轴的径向摆动≤0.1μm，该主轴由电机驱动，转速在0-1500可调，它还具有角向精确定位功能。在对心装调过程中，被检透镜304会随着转台302的转动而转动，被检透镜304可以是单个也可以是多个镜片；该转台302上还有对被检透镜304进行倾斜和径向调整的装置303，以便于调到最佳位置。

目视镜305和自准直显微镜306组成了显微镜筒，它由步进电机307驱动可在导轨支架308上下移动。若在该导轨308上安装光栅尺，则该定心装置的功能还可以扩展，如测镜片的厚度、曲率半径、焦长等，这里对其功能不加以限制，具体设置可根据工程需要决定。

本发明实施例的工作过程：基准轴是精密转台302的旋转轴，为了完成被检透镜304的对心调整，首先将被检透镜304放置于转台302上，并用调整装置303将其固定，调整自准直显微镜306的高度和焦距，使它能对被检透镜304上表面的球心成像，然后旋转精密转台302。如果被检透镜304的偏心量或倾斜量为零，也就是被检透镜304的光轴与基准轴重合时，目镜分划板上成的像就不会划圆；如果不重合，像就会划圆，划圆量可以反映偏心及倾斜的大小。这时用调整装置303对透镜304进行倾斜和径向调整，使得像的划圆量为零。该调整过程可以在自准直仪的实时监测下完成，最终完成对心工作。

该对心装调装置可以进行单个镜片与镜座的定心装校，还可以进行多个镜片的同轴对心，并能实时给出对心过程中的偏心量和倾斜量，便于公差控制。该装置的测量精度能到0.1-0.5μm和1-5个角秒，能满足高精度光学系统的装调需要。

请参考图5，图5所示为本发明第二较佳实施例中对心装调装置的自准直显微镜的结构示意图，其组成依次是：反射聚光镜201，灯泡202，聚光透镜203和204，带刻丝的掩膜板205，分光棱镜206，调焦物镜207和208，被检透镜209，显微物镜210和211，半透半反镜212，CCD成像物镜219，CCD220，目视成像物镜213和214，测量分划板215，目镜216和217，出瞳218。灯泡102采用钨卤素灯；反射聚光镜201，灯泡202，聚光透镜203和204组成光源组件A2，调焦物镜207和208组成调焦镜组B2，显微物镜210和211组成显微镜组C2，目镜216和217组成目镜组D2。

为了使自准直望远镜结构更紧凑，减小体积，便于实用，将光源组A2与调焦组B2置于同一光轴上，该方向与图4中导轨支架308是平行的。而显微镜组C2和目镜组D2置于另一光轴上，其方向与导轨支架308是垂直的。

在工作过程中，调焦镜组B2可以轴向移动，这种运动可以用电机驱动也可以用手调实现。而且整个镜筒也可以在导轨支架308上上下移动，以便于对被检透镜209成像。依据本实施例的自准直显微镜也可以置于图4中构成高精度对心装调装置，其功能和工作方式不变，在此不重复描述。

综上所述，本发明提出的光学系统对心装调的装置和方法精度高，偏心测量精度能达到0.1-0.5微米和1-5角秒，能满足高精度光学系统如光刻投影物镜镜片的装校要求。本发明的对心装调装置可以进行单个镜片与镜框的定心装校，还可以进行多个镜片的同轴对心，并能实时给出对心过程中的偏心量和倾斜量，有效控制装配精度。

本发明提出的光学系统对心装调的装置和方法的功能可以扩展。本发明的定心装置不仅可用于镜片和镜座之间的定心装校，还可用于多个镜片之间的定心装校，以及镜片和镜筒之间的组合装校。本发明装置经过改进，可用于镜片的定心磨边、滚边、胶合的测量检验。如果在本发明对心装置的导轨支架上安装光栅尺，则它的功能还可进一步扩展，如测镜片的厚度、曲率半径、焦长等，可根据工程需要决定具体设置。

本发明另外一个优点是自动化程度高。其上下移动和调焦工作可在软件的协助下自动完成。其偏心量可由CCD拍摄并由软件自动计算出偏心值，并能给倾斜和径向调整机构提供反馈。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (14)

1.一种光学系统对心装调装置，所述光学系统对心装调装置包括自准直显微镜和具有空气轴承的转台，其中所述自准直显微镜的光轴与所述空气轴承的旋转轴精确对准，其特征在于:所述自准直显微镜包括照明模块，带刻丝的掩膜板，调焦物镜组，显微物镜组，测量分划板，显微目镜组，所述转台用于放置被检透镜。

2.根据权利要求1所述的光学系统对心装调装置，其特征在于:所述空气轴承的主轴精度小于等于0.1μm，保证所述光学系统对心装调装置的偏心测量精度和镜片装调精度

3.根据权利要求1所述的光学系统对心装调装置，其特征在于:所述自准直显微镜还包括CCD，显微目镜组为目视通道，CCD为光电通道，所述目视通道在调整方式时工作，所述光电通道在自动方式时工作。

4.根据权利要求3所述的光学系统对心装调装置，其特征在于:所述自准直显微镜还包括分光棱镜、半透半反镜，所述照明模块由反射聚光镜、灯泡和聚光透镜组成，用以发出平行光束，该光束照在带刻丝的掩膜板的平面上，从刻丝透过的光线经分光棱镜反射，通过调焦镜组成像在被检透镜上，从被检透镜反射回的光线依次经过调焦镜组，分光棱镜和显微物镜组，再经过半透半反镜分别进入目视通道或进入光电通道成像。

5.根据权利要求1所述的光学系统对心装调装置，其特征在于:所述自准直显微镜设置于导轨支架并可上下移动以适应被检透镜不同曲率半径的要求。

6.根据权利要求5所述的光学系统对心装调装置，其特征在于:所述导轨支架上安装有光栅尺，用于测量被检透镜的厚度、曲率半径、焦长。

7.根据权利要求1所述的光学系统对心装调装置，其特征在于:所述调焦物镜的位置可以沿着所述自准直显微镜的光轴移动调整来改变所述自准直显微镜的焦距，所述调整使用电机驱动或者手动调整。

8.根据权利要求1所述的光学系统对心装调装置，其特征在于:所述显微物镜组的放大倍率为30-60倍。

9.根据权利要求1所述的光学系统对心装调装置，其特征在于:所用测量分划板的最小格值在1-5μm范围内。

10.根据权利要求1所述的光学系统对心装调装置，其特征在于:所述空气轴承的主轴为气浮轴承，该主轴由电机驱动，所述电机的转速在0-1500之间调整。

11.根据权利要求1所述的光学系统对心装调装置，其特征在于:所述转台上设置有调整装置用于对被检透镜进行倾斜和径向调整。

12.一种光学系统对心装调的方法，其特征在于:使用权利要求1所述的光学系统对心装调装置，当移动整个自准直显微镜或调焦镜组使被检透镜被测面的球心与显微镜自准直点对准时，掩膜板的像就从被测镜片表面反射，然后成像于测量分划板的表面上，并在目视通道或光电通道被观察到。通过判断该目视通道或光电通道得到的成像效果，实时得到被测镜片的对心精度，并根据所成像对被检透镜进行调整，完成光学透镜的对心装调。

13.根据权利要求12所述的光学系统对心装调方法，其特征在于:该方法包括转动主轴，若被测镜片存在偏心或者倾斜，测量分划板上成的像会划成一个圆，划圆量用于反映偏心及倾斜的大小，然后根据该划圆量对透镜进行倾斜和径向调整，使得划圆量为零，从而完成对心装调。

14.根据权利要求12所述的光学系统对心装调方法，其特征在于:被检透镜为单个或多个镜片。

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