CN113296287A

CN113296287A - 一种物镜系统元件位置偏差精密装调方法

Info

Publication number: CN113296287A
Application number: CN202110527883.1A
Authority: CN
Inventors: 李渊明; 王辉; 周烽; 金春水
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2021-05-14
Filing date: 2021-05-14
Publication date: 2021-08-24
Anticipated expiration: 2041-05-14
Also published as: CN113296287B

Abstract

本发明适用于物镜系统装配领域，公开了一种物镜系统元件位置偏差精密装调方法，物镜系统包括主框架、组件框架、元件和若干个联接机构，每个所述联接机构均包括螺钉、球垫片和圆柱垫片，该方法根据物镜系统装调试测量得到的元件实际位置与理论位置在6个自由度上的偏差，计算出每个自由度上需要运动的位移，通过矩阵运算可以精确计算出每个圆柱垫片需要调整的厚度，再根据每个圆柱垫片实际厚度数据，可以得到能够使元件位置修正到理论位置附近的圆柱垫片的厚度。使用修正后的圆柱垫片进行装配即可将元件位置调整到理论位置附近，通常情况下可以空间位置精度能够达到20微米以内，角度偏差优于1‰度。

Description

一种物镜系统元件位置偏差精密装调方法

技术领域

本发明涉及物镜系统装配领域，尤其涉及一种物镜系统元件位置偏差精密装调方法。

背景技术

对于光学系统而言，元件位置偏差会对光学系统的成像效果和波相差产生很大的影响，为了保证物镜系统的成像质量，需要保证物镜系统内部元件的相对位置偏差在允许的范围内。在实际的集成装配过程中，由于机械结构件存在加工误差，装配过程中也会产生位置偏差，最终集成后的物镜系统元件相对模型中的理论位置会产生一定的偏差。尽管在结构设计过程中为了实现光学元件的精密调整，光学元件相对组件框架具有一定的空间6自由度调整能力，但调整行程非常有限，而且如果调整机构的行程被占用之后，会对物镜系统波相差的装调带来困难。因此，在保证元件调整机构调整行程的前提下，需要一种高效的元件位置偏差精密修正方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种物镜系统元件位置偏差精密装调方法，其通过修正圆柱垫片的厚度将元件在主框架中的位置调整到理论位置附近。

为达到上述目的，本发明提供的方案是：

一种物镜系统元件位置偏差精密装调方法，所述物镜系统包括主框架、组件框架、元件和若干个联接机构，每个所述联接机构均包括螺钉、球垫片和圆柱垫片，所述物镜系统元件位置偏差精密装调方法包括以下步骤：

步骤S10：通过建模得到元件在主框架中的理论位置；

步骤S20：测量得到每个圆柱垫片的实际厚度；

步骤S30：将元件装配在组件框架上，并将组件框架通过若干个联接机构以空间解耦且无过约束的方式连接到主框架上；

步骤S40：测量得到元件在主框架中的实际位置；

步骤S50：根据元件在主框架中的实际位置和元件在主框架中的理论位置进行分析得到元件实际位置与理论位置在6个自由度上的偏差值；

步骤S60：建立元件在6个自由度的位置与每个圆柱垫片厚度变化量之间的敏感度矩阵；

步骤S70：基于敏感度矩阵与元件实际位置与理论位置在6个自由度上的偏差值，得到每个圆柱垫片的6个自由度的厚度调整量；

步骤S80：将每个圆柱垫片的6个自由度的厚度调整量叠加得到每个圆柱垫片的厚度调整量；

步骤S90：根据每个圆柱垫片的实际厚度和厚度调整量修正每个圆柱垫片的厚度，得到修正后的圆柱垫片；

步骤S100：将组件框架通过螺钉、球垫片和修正后的圆柱垫片装配到主框架上。

优选地，所述步骤S20中，通过三坐标测量机测量得到每个圆柱垫片的实际厚度。

优选地，所述步骤S40中，通过三坐标测量机和/或激光跟踪仪测量得到元件在主框架中的实际位置。

优选地，步骤S40中，测量得到元件在主框架中的实际位置的具体实施方式为：

建立组件框架坐标系与主框架坐标系的相对位置关系；

建立元件坐标系与组件框架坐标系的相对位置关系；

根据组件框架坐标系与主框架坐标系的相对位置关系以及元件坐标系与组件框架坐标系的相对位置关系换算得到元件坐标系与主框架坐标系的相对位置关系。

优选地，所述步骤S50中，元件实际位置与理论位置在6个自由度上的偏差值包括：元件实际位置与理论位置在X轴的移动偏差值、元件实际位置与理论位置在Y轴的移动偏差值、元件实际位置与理论位置在Z轴的移动偏差值、元件实际位置与理论位置绕X轴的转动偏差值、元件实际位置与理论位置绕Y轴的转动偏差值、以及元件实际位置与理论位置绕Z轴的转动偏差值。

优选地，所述步骤S60中，建立元件在6个自由度的位置与每个圆柱垫片厚度变化量之间的敏感度矩阵，具体实施方式如下：

获取元件坐标系，通过建模获取元件坐标系，将组件框架按照元件坐标系的X轴移动一个单位长度，获取每个圆柱垫片沿轴线方向相对原来位置的变化量；

将组件框架按照元件坐标系的Y轴移动一个单位长度，获取每个圆柱垫片沿轴线方向相对原来位置的变化量；

将组件框架按照元件坐标系的Z轴移动一个单位长度，获取每个圆柱垫片沿轴线方向相对原来位置的变化量；

将组件框架按照元件坐标系绕X轴转动一个单位角度，获取每个圆柱垫片沿轴线方向相对原来位置的变化量；

将组件框架按照元件坐标系绕Y轴转动一个单位角度，获取每个圆柱垫片沿轴线方向相对原来位置的变化量；

将组件框架按照元件坐标系绕Z轴转动一个单位角度，获取每个圆柱垫片沿轴线方向相对原来位置的变化量；

将每个圆柱垫片在每个自由度的变化量建立成敏感度矩阵。

本发明提供的物镜系统元件位置偏差精密装调方法通过修正圆柱垫片的厚度来修正元件位置，能够一次性准确计算出各圆柱垫片的厚度变化量，通过一次调整就可以将元件位置偏差修正到理论位置附近。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的物镜系统元件位置偏差精密装调方法的流程框图；

图2是本发明实施例提供的物镜系统的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的组件框架与主框架的装配图；

图4是本发明实施例提供的联接机构在组件框架上的布置示意图；

图5是本发明实施例提供的物镜系统的测量示意图。

附图标号说明：

100、物镜系统；10、主框架；10.1、第一基准定位面；10.2、第二基准定位面；10.3、第三基准定位面；10.5、主框架坐标系；200、第一反射镜组件；205、反射镜元件；200.1、第四基准定位面；200.2、第五基准定位面；200.3、第六基准定位面；200.5、元件坐标系；208、支撑和调整机构；210、组件框架；210.1、第一安装位置；210.2、第二安装位置；210.3、第三安装位置；210.4、第四安装位置；210.5、第五安装位置；210.6、第六安装位置；300、第二反射镜组件；400、第三反射镜组件；500、第四反射镜组件；101、定位基准球；102、螺钉；103、球垫片；104、圆柱垫片；105、光线；120、物面模块；140、像面模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。

另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1至图5所示，其为本发明的一种实施例的物镜系统元件位置偏差精密装调方法，主要应用于物镜系统离轴非球面元件位置偏差精密修正。如图2和图3所示，物镜系统100包括主框架10、第一反射镜组件200、第二反射镜组件300、第三反射镜组件400和第四反射镜组件500，第一反射镜组件200通过第一联接机构刚性地联接到主框架10上，第二反射镜组件300通过第二联接机构刚性地联接到主框架10上，第三反射镜组件400通过第一联接机构刚性地联接到主框架10上，第四反射镜组件500通过第四联接机构刚性地联接到主框架10上，第一反射镜组件200、第二反射镜组件300、第三反射镜组件400和第四反射镜组件500的结构相同或者类似，下面以第一反射镜组件200举例说明，第一反射镜组件200包括反射镜元件205、支撑和调整机构208和组件框架210。反射镜元件205通过支撑和调整机构208连接到组件框架210上，在支撑和调整装置的作用下，反射镜元件205可以相对组件框架210在一定范围内进行6自由度调整，组件框架210利用联接机构通过空间解耦且无过约束的方式连接到主框架10上。即第一反射镜组件200、第二反射镜组件300、第三反射镜组件400和第四反射镜组件500的反射镜元件205都可以相对组件框架210在一定范围内进行6自由度调整。联接机构包括螺钉102、球垫片103和圆柱垫片104，主框架10上加工有与球垫片103配合的凹球面，该结构允许组件框架210相对主框架10有一定的角度。请参阅图4，元件坐标系系200.5如图所示，且图中，组件框架210上展示了6个联接机构的安装位置，分别为第一安装位置210.1，第二安装位置210.2，第三安装位置210.3，第四安装位置210.4，第五安装位置210.5，第六安装位置210.6，对应地，每个安装位置对应设置有一个圆柱垫片104，每个安装位置的虚线为圆柱垫片104的回转轴线。需要说明的是，联接机构的安装位置并不局限于上述安装位置，联接机构的安装位置能够实现空间上6个自由度不产生过约束即可。

物镜系统100的主要作用是将物面模块120上的图案经过光线105在物镜系统100内部各反射镜组件的反射镜元件205的反射下，最终投影到像面模块140上。

可以理解地，物镜系统100并不局限于包括第一反射镜组件200、第二反射镜组件300、第三反射镜组件400和第四反射镜组件500，反射镜组件的数量根据实际情况设定。

本发明的物镜系统元件位置偏差精密装调方法通过修正圆柱垫片104的厚度来修正元件位置，其能够一次性准确计算出各圆柱垫片104的厚度变化量，通过一次调整就可以将元件位置偏差修正到理论位置附近。

请参阅图1-图5，本发明实施例的物镜系统100元件位置偏差精密装调方法包括以下步骤：

步骤S10：通过建模得到元件在主框架10中的理论位置；

步骤S20：测量得到每个圆柱垫片104的实际厚度；

步骤S30：将元件装配在组件框架210上，并将组件框架210通过若干个联接机构以空间解耦且无过约束的方式连接到主框架10上；

步骤S40：实际测量得到元件在主框架10中的实际位置；

步骤S50：根据元件在主框架10中的实际位置和元件在主框架10中的理论位置进行分析得到元件实际位置与理论位置在6个自由度上的偏差值；

步骤S60：建立元件在6个自由度的位置与每个圆柱垫片104厚度变化量之间的敏感度矩阵；

步骤S70：基于敏感度矩阵与元件实际位置与理论位置在6个自由度上的偏差值，得到每个圆柱垫片104的6个自由度的厚度调整量；

步骤S80：将每个圆柱垫片104的6个自由度的厚度调整量叠加得到每个圆柱垫片104的厚度调整量；

步骤S90：根据每个圆柱垫片104的实际厚度和厚度调整量修正每个圆柱垫片104的厚度，得到修正后的圆柱垫片；

步骤S100：将组件框架210通过螺钉102、球垫片103和修正后的圆柱垫片装配到主框架10上，装配完成后，即可将元件实际位置调整到理论位置附近。经过实际测试，调整后元件空间位置偏差优于20微米，角度偏差优于1‰度。

可以理解地，上述装调方法是装调一个元件与主框架10的相对位置，也就是某一个元件在主框架10中的位置。物镜系统100往往具有多个元件，对于其他元件的装调方法也一样。

需要说明的是，上述步骤并不是固定顺序的，例如可以先实施步骤S10，后实施步骤S20，也可以先实施步骤S20后实施步骤S10。又例如，可以先实施步骤S10，后实施步骤S30、S40，也可以先实施步骤S30、S40，后实施步骤S10。

本发明实施例的物镜系统100元件位置偏差精密装调方法通过修正圆柱垫片104的厚度来修正元件位置，其具有以下优点：

第一，该方法能够一次性准确计算出各圆柱垫片104的厚度变化量，通过一次调整就可以将元件位置偏差修正到理论位置附近。

第二，该方法可以用于元件位置偏差量较大的组件的位置修正。

第三，该方法是通过机械调整的方法实现光学元件位置精确修正，可以保证组件内部调整机构的行程，以方面后续的波相差装调。

第四，该方法具有调整效率高，迭代次数少，修正精度高的特点。

优选地，步骤S20中，通过三坐标测量机测量得到每个圆柱垫片104的实际厚度。相比其他测量设备，三坐标测量机测量精度更高，通过三坐标测量机能够精确测量出圆柱垫片104的厚度，减少误差。

优选地，步骤S40中，通过三坐标测量机和/或激光跟踪仪测量得到元件在主框架10中的实际位置。相比其他测量设备，三坐标测量机测量精度更高，通过三坐标测量机能够精确测量出元件在主框架10中的实际位置，减少误差。

请参阅图5，具体地，测量元件在主框架中的实际位置有两种测量方法，一种是直接测量法，一种是间接测量法，直接测量法是通过直接测量元件和物镜系统100主框架10的定位基准，分别建立元件坐标系200.5和物镜系统100的主框架坐标系10.5，获取元件面型在物镜系统100的主框架坐标系10.5中的位置。间接测量法是建立组件框架坐标系210.5与主框架坐标系10.5的相对位置关系，以及建立元件坐标系200.5与组件框架坐标系的相对位置关系，再根据组件框架坐标系210.5与主框架坐标系10.5的相对位置关系以及元件坐标系200.5与组件框架坐标系210.5的相对位置关系换算得到元件坐标系200.5与主框架坐标系10.5的相对位置关系。

进一步地，主框架坐标系10.5的建立方法有两种：第一种方法是通过激光跟踪仪或关节臂测量主框架10的第一基准定位面10.1、第二基准定位面10.2和第三基准定位面10.3来建立主框架坐标系10.5。第二种方法是在主框架10的预设位置上安装多个定位基准球101，在建立主框架坐标系10.5时，仅测量多个定位基准球101球心的位置，通过多个球心位置拟合出一个平面，以及通过两个球心位置的拟合出一条直线，并任意选取一个球心位置作为原点，通过拟合出的直线以及与该直线垂直的法线和原点来唯一确定主框架坐标系10.5的位置。相比第一种方法，利用第二种方法建立主框架坐标系10.5更加准确和快捷。

可以理解地，定位基准球101可以是三个，也可以是三个以上，在本实施例中，主框架10上的定位基准球101配置有四个，测量时可以测量三个也可以测量四个。

需要说明的是，定位基准球101也可以用激光跟踪仪靶座代替，当选用激光跟踪仪靶座时，使用激光跟踪仪对组件框架210和物镜系统100主框架10上基准定位点进行测量。测量时，将靶球依次放置在组件框架210和主框架10的定位靶座上，使用激光跟踪仪直接测量耙球球心的位置。

可以理解地，测量时，也可以采用三坐标测量仪代替激光跟踪仪，三坐标测量仪测量精度更高。

具体地，组件框架坐标系210.5的建立方法与主框架坐标系10.5的建立方法相同，在此不赘述。

元件坐标系200.5的建立方法为：通过激光跟踪仪或三坐标测量机测量元件的第四基准定位面200.1、第五基准定位面200.2和第六基准定位面200.3来建立元件坐标系200.5。相比其他测量设备，三坐标测量机测量精度更高，因此，优选三坐标测量机进行测量。

进一步地，三坐标测量机选用高精度三坐标测量机，从而进一步提高测量精度。

上述测量方法通过三坐标测量机和激光跟踪仪配合耙球进行定位和测量，可以提高总体坐标转化的精度，相对关节臂测量设备50微米的空间测量精度而言，该方法测量精度能够达到10微米量级。而且，本发明实施例的测量方法集合了多种测量设备的优点，可以实现对元件空间位置的快速、高精度测量。

请参阅图4，步骤S50中，元件实际位置与理论位置在6个自由度上的偏差值包括：元件实际位置与理论位置在X轴的移动偏差值，元件实际位置与理论位置在Y轴的移动偏差值，元件实际位置与理论位置在Z轴的移动偏差值，元件实际位置与理论位置绕X轴的转动偏差值，元件实际位置与理论位置绕Y轴的转动偏差值，元件实际位置与理论位置绕Z轴的转动偏差值。

优选地，步骤S60中，通过建模建立元件在6个自由度的位置与每个圆柱垫片厚度变化量之间的敏感度矩阵，具体实施方式如下：

通过建模获取元件坐标系200.5，将组件框架210按照元件坐标系200.5的X轴移动一个单位长度，获取每个圆柱垫片104沿轴线方向相对原来位置的变化量，将组件框架210按照元件坐标系200.5的Y轴移动一个单位长度，获取每个圆柱垫片104沿轴线方向相对原来位置的变化量，将组件框架210按照元件坐标系200.5的Z轴移动一个单位长度，获取每个圆柱垫片104沿轴线方向相对原来位置的变化量，将组件框架210按照元件坐标系200.5绕X轴转动一个单位角度，获取每个圆柱垫片104沿轴线方向相对原来位置的变化量，将组件框架210按照元件坐标系200.5绕Y轴转动一个单位角度，获取每个圆柱垫片104沿轴线方向相对原来位置的变化量，将组件框架210按照元件坐标系200.5绕Z轴转动一个单位角度，获取每个圆柱垫片104沿轴线方向相对原来位置的变化量，将上述数据形成元件在6个自由度的位置与每个圆柱垫片厚度变化量之间的敏感度矩阵。下表示出了元件在6个自由度的位置与6个圆柱垫片104厚度变化量之间的敏感度矩阵，位移量采用10μm和10μrad，上述数据依次记录为：S₁₁-S₁₆、S₂₁-S₂₆、S₃₁-S₃₆、S₄₁-S₄₆、S₅₁-S₅₆、S₆₁-S₆₆。

可以理解地，单位长度，即位移量10μm不是唯一的，可以根据实际选择，例如，可以选择20μm.。同理，单位角度10μrad不是唯一的，可以根据实际选择，例如，可以选择20μrad。

进一步地，步骤S70中，基于敏感度矩阵与元件实际位置与理论位置在6个自由度上的偏差值，得到每个圆柱垫片104的6个自由度的厚度调整量具体实施方式为：

将元件在主框架10中的实际位置和元件在主框架10中的理论位置进行分析得到元件实际位置与理论位置6个自由度中每个自由度上的偏差值与敏感度矩阵对应，得到每个自由度对应的每个圆柱垫片104的厚度变化量，例如计算圆柱垫片1的X轴的移动自由度的厚度变化量，利用元件在主框架10中的实际位置和元件在主框架10中的理论位置的X轴的移动自由度的偏差值除以位移量10μm，再乘以S₁₁得到圆柱垫片1的X轴的移动自由度的厚度变化量。圆柱垫片1的其他自由度的厚度变化量也是这样计算，同理，圆柱垫片2、圆柱垫片3、圆柱垫片4、圆柱垫片5和圆柱垫片6的每个自由度的厚度变化量也是这样计算。

通过建立元件在6个自由度的位置与每个圆柱垫片104厚度变化量之间的敏感度矩阵有利于精确计算每个圆柱垫片104的需要调整的量，而且建立敏感度矩阵时，采用的移动长度单位或者转动角度单位均为比较小的值，精确度更高。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种物镜系统元件位置偏差精密装调方法，所述物镜系统包括主框架、组件框架、元件和若干个联接机构，每个所述联接机构均包括螺钉、球垫片和圆柱垫片，其特征在于，所述物镜系统元件位置偏差精密装调方法包括以下步骤：

步骤S10：通过建模得到元件在主框架中的理论位置；

步骤S20：测量得到每个圆柱垫片的实际厚度；

步骤S40：测量得到元件在主框架中的实际位置；

2.如权利要求1所述的物镜系统元件位置偏差精密装调方法，其特征在于，所述步骤S20中，通过三坐标测量机测量得到每个圆柱垫片的实际厚度。

3.如权利要求1所述的物镜系统元件位置偏差精密装调方法，其特征在于，所述步骤S40中，通过三坐标测量机和/或激光跟踪仪测量得到元件在主框架中的实际位置。

4.如权利要求1所述的物镜系统元件位置偏差精密装调方法，其特征在于，步骤S40中，测量得到元件在主框架中的实际位置的具体实施方式为：

建立组件框架坐标系与主框架坐标系的相对位置关系；

建立元件坐标系与组件框架坐标系的相对位置关系；

5.如权利要求1所述的物镜系统元件位置偏差精密装调方法，其特征在于，所述步骤S50中，元件实际位置与理论位置在6个自由度上的偏差值包括：元件实际位置与理论位置在X轴的移动偏差值、元件实际位置与理论位置在Y轴的移动偏差值、元件实际位置与理论位置在Z轴的移动偏差值、元件实际位置与理论位置绕X轴的转动偏差值、元件实际位置与理论位置绕Y轴的转动偏差值、以及元件实际位置与理论位置绕Z轴的转动偏差值。

6.如权利要求5所述的物镜系统元件位置偏差精密装调方法，其特征在于，所述步骤S60中，建立元件在6个自由度的位置与每个圆柱垫片厚度变化量之间的敏感度矩阵，具体实施方式如下：

将每个圆柱垫片在每个自由度的变化量建立成敏感度矩阵。