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基于联合变换相关原理的光学定心技术研究

【摘要】:随着科技的发展,光学镜头在航空航天、国防军事、工业检测以及半导体产业等领域得到了广泛应用,并且对于其性能的要求也越来越高。光学镜头生产过程中的一个关键问题是控制透镜装配过程中的中心偏差。透镜中心偏差是影响光学镜头性能的主要因素之一,从透镜的磨边、胶合、检验以及装配,到光学系统性能的测试,中心偏差的存在都不可忽视。许多对系统性能要求很高的系统,如卫星摄影测量系统、投影光刻物镜等对装调误差有严格限制,都需要其中心偏差尽可能的小。传统的光学系统定心方法已经不能满足此类高性能光学镜头装调精度的要求,因此本文研制了旨在装调大NA投影光刻物镜的高精度定心仪。本文的主要工作内容如下:首先,分析中心偏差测量仪器的国内外发展现状及趋势,并归纳总结出测量透镜中心偏差的几种基本方法;其次,建立透镜组中心偏差测量数学模型,分析透镜组累计中心偏差对镜组中被测光学表面中心偏差测量的影响。通过计算透镜组各面球心像的位置以及各面的垂轴放大率,将被测光学表面的中心偏差表示为各面中心偏差及各面垂轴放大倍率的函数,该模型可有效去除镜组中心偏差测量时累计中心偏差的影响;第三,通过分析各种中心偏差测量原理的优缺点,选取反射式自准直成像法测量透镜的中心偏差。使用光学设计软件进行了测量头光学系统的光学设计,分析了系统的成像质量,结果表明系统能够满足使用要求,并进行了能量计算和光源选择;第四,提出了一种基于联合变换相关原理的中心偏差测量方法,该方法与分划板具体的图案形式无关,通过使目标图像和参考图像之间的相关运算,实现位移矢量的亚像元测量,利用位移矢量拟合实现中心偏差的高精度测量。在经典联合变换相关原理基础上提出一种双相位编码的联合变换相关算法,使相关输出平面仅保留一个互相关峰以提高测量效率;第五,对影响定心仪精度的主要误差因素进行了理论分析,包括轴系误差、放大倍率误差、数据处理误差、光学系统误差、环境误差等;进行定心仪重复性评定实验,实验结果表明中心偏差测量重复性精度为±0.7995μm;此外,经过实验验证了基于双相位编码联合变换相关原理的定心技术的有效性,并与LAS定心仪进行了对比,实验结果表明,使用联合变换相关原理测量透镜中心偏差合理可行,并且测量误差小于同条件下的LAS定心仪测量误差。

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