成像物镜集成公差分配与定心装调技术研究_李星辰.pdf

（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022收稿日期：2022-09-05成像物镜集成公差分配与定心装调技术研究李星辰，武 震，高爱梅，申 淙，张 乾(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)摘要：针对高分辨率对准成像镜头对装配误差的严苛要求，提出了一种成像物镜装配公差分配和定心装调技术以满足光学系统集成要求。以分辨率为2 m的成像物镜为例，分析了影响光学镜头成像质量的误差来源，进行了公差仿真分析和加工公差分配。集成测试过程中以中心偏差测量仪为辅助工具，进行了镜组光轴精确校准，其光轴偏心小于20 m，光轴倾斜小于144。最后将集成结果数据代入光学仿真软件进行像质分析并实测图像结果进行对比分析。结果表明：运用该方法，各镜片间的光轴偏心误差和倾斜误差能够匹配公差分配要求，成像效果满足镜头像质需求。关键词：成像物镜；公差分配；定心装调；像质分析中图分类号：TN206文献标志码：B文章编号：1004-4507(2022)06-0017-05Research on Integrated Tolerance Allocation and CenteringAdjustment Technology of Imaging Objective LensLI Xingchen，WU Zhen，GAO Aimei，SHEN Cong，ZHANG Qian(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)Abstract:A kind of imaging objective lens assembly tolerance distribution and a centering techniquefor the integration requirements of optical systems are proposed for the high score discriminationrate，which is aimed at the strict requirements of the imaging objective lens for the assembly error.In this paper，the error source of the optical lens imaging quality is analyzed by the resolution of 2m，and the tolerance simulation analysis and machining tolerance distribution are carried out.Inthe process of integrated testing，the center deviation measuring instrument is used for the auxiliaryaid，and the optical axis is calibrated accurately，and the shift-error of optical axis is less than 20m.The tilt-error of optical axis is less than 144.Finally，the integration results are analyzed bythe analysis of the data and the results of the measured image.The results show that the optical axisshift-error and the tilt-error can match the tolerance distribution requirements，and the imaging effectsatisfies the requirements of the lens imaging quality.半导体制造工艺与设备17（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022在半导体设备领域，高分辨率成像物镜广泛应用于套刻对准、视觉检测、标记识别等模块，成像质量高、产品稳定性好的光学镜头已成为设备的普遍要求。目前，设计高质量的光学系统已不是一件难事，真正影响光学系统成像质量的是制造和集成误差，而这其中最重要的一项因素就是镜片的定心误差。目前，光学镜头装调技术分为灌装式和定心车削式，定心车削装调是利用定心车床对镜框进行车削的定心装调技术，定心车削光轴误差装调精度更高，但是由于定心车削需额外设计镜框与镜筒配合，故整个镜头结构尺寸较大，不适合一些约束镜头尺寸的应用场景；而灌装式是将镜片直接灌装入镜筒内，靠镜筒与镜片的配合间隙保证光轴偏心和倾斜，灌装式的优势是结构小巧，成本较低。本文以灌装式镜头为例，进行成像物镜的公差分析、公差分配、定心装调和成像质量等方面研究，整个设计、加工、制造等过程完全实现闭环控制。1光学镜头装配公差分配光学镜头一般由多个镜片和机械零件通过配合结构装配而成的，误差会伴随装配过程的进行不断叠加和累积，最终影响系统成像质量1，从而影响设备的对准精度。光学镜头的装配误差主要由零件误差和装配误差2-4两大类构成，如图 1 所示。零件误差指光学镜片的加工误差，包含曲率半径、中心厚度、表面光轴偏心、表面倾斜、局部面型、玻璃折射率、玻璃阿贝常数等，这些误差一旦形成，将成为系统的固有误差，而且会导致镜头在按照分配好的装配公差集成后也无法达到理想效果；装配误差为镜片在镜筒内的姿态偏差，包括镜片光轴偏心、镜片倾斜和空气间隔误差。为此，降低装配误差对成像质量的影响就成为提高光学镜头性能的重要途径5。2加工公差分配方法2.1镜头设计结果设计了一套高品质的显微镜头组，镜头组的设计分辨率为 2 m，要求 2 m 密集线条的对比度大于 0.3。该成像镜头组采用无限共轭结构，由高分辨率物镜和 20 倍管镜组成，其中镜头组的成像性能主要由物镜决定，管镜起放大作用，物镜的装配误差直接影响系统的最终成像性能。物镜的光学系统如图 2 所示，该光学系统共有 6 片光学镜片，系统中镜片的空气间隔靠机械隔圈保证，镜片和隔圈靠灌装方式与镜筒进行集成。该显微镜头组的性能设计结果如图 3 所示，像方弥散斑大小为 6.3 m，艾利斑大小 37 m，传递函数结果显示，2 m 线条的对比度为 0.52，接近衍射极限。弥散斑大小和传递函数均满足设计要求。2.2公差仿真分析经过评估和系统的综合考虑，确定了表 1 中Key words:Imaging-objective lens；Tolerance distribution；Alignment centering；Image quality analysis图1镜头误差模型图2物镜光路示意图光学镜头误差零件误差装配误差曲率半径中心厚度表面偏心表面倾斜局部面型材料属性镜片偏心镜片倾斜空气间隔镜片6镜片5镜片4镜片3镜片2镜片1半导体制造工艺与设备18（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022的各项仿真公差数据，并将表 1 中公差代入仿真软件Zemax 进行公差仿真分析。公差仿真结果如图 4 所示，结果显示，按照表1 中各项公差进行加工集成后，该显微镜头系统组的2 m 线条的对比度 90%概率可达到 0.34 以上，满足系统要求指标0.3。因此，公差设计结果满足要求，可按该公差设计结果进行零件加工公差分配。2.3加工公差分配镜片和隔圈与镜头的结构配合如图 5 所示，镜片外径与镜筒内径相配合，镜片的表面直接与隔圈相连接。由图 1 可知，镜头组的装配误差主要包含配合光轴偏心、倾斜和空气间隔。而影响镜头装配误差的主要因素是镜筒的内径、镜片的外径、镜片的自有光轴偏心和隔圈厚度；其中镜片的自有光轴偏心和隔圈厚度靠加工保障，镜筒的内径和镜片的外径为光轴偏心和倾斜误差的主要影响因素。进一步对装配公差进行加工指标分解。镜头组各零部件的加工公差如表 2 所示，镜片的外径的加工公差为负公差，为 1020 m；镜筒内径的加工公差为正公差，为 510 m；隔圈和镜片厚度的公差均为20 m。3加工制造验证镜头的各零部件按需求加工完成后，利用高精度中心偏差测量仪，结合计算机模拟辅助装调的手段，实现了成像物镜中各镜片的高精度装调定心。中心偏差测量仪测量原理如图 7 所示，当固定镜头的空气转台旋转时，被测表面的曲率半径为 R，曲率中心的像相对参考轴会画一个半径为 r的圆，被测表面相对于参考轴的表面偏心偏差即为 r，表面倾斜偏差为：arcsin(rR)。图3镜头组性能设计结果（a）点列图（b）传递函数（MTF曲线）表1仿真公差输入结果零件误差装配误差公差类别曲率半径中心厚度/m镜片面倾斜/()S+A 不规则度配合光轴偏心(X)/m配合光轴偏心(Y)/m配合倾斜(X)/()配合倾斜(Y)/()公差要求2 光圈20600.2 光圈2020144144图4公差仿真分析结果图5镜筒内部结构表2零件加工公差分配配合需求配合光轴偏心（XY）：0.02 mm配合倾斜（XY）：144中心厚度：0.02 mm误差类型镜片外径镜筒内径隔圈厚度镜片厚度加工公差/mm（-0.01，-0.02）（0.005，0.01）0.020.02100.00像面：0.000 mm像面：5.603 mm像面：8.007 mm0.3650.360.37OTF 模值1.00.5001.53.04.56.07.59.0 10.5 12.0 13.5 15.0空间频率：周期/mmOTF 模值1.00.5001.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0空间频率：周期/mm10.5 12.0 13.5 15.0镜筒镜筒隔圈 2隔圈 1半导体制造工艺与设备19（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022图7中心偏差测量原理图8镜组中镜片的光轴示意对于镜片在镜组中的姿态，如图 8 所示，每个单镜片的两个表面的球心像连线即为该镜片的光轴，该光轴相对于基准轴的偏心和倾斜可通过中心偏差测量仪测得并实时调整镜片的姿态，以保证每片镜片都能满足装配公差要求。通过测试和计算机模拟辅助装调，镜头最终集成的测量结果如表 3 所示，各镜片的光轴偏心和倾斜均满足分配的公差要求。将中心偏差测量仪上的光轴偏心倾斜和空气间隔测试结果直接代入光学仿真软件 Zemax 中进行当前装配结果的仿真分析，得到图 9 所示的结果：2 m 线条的对比度为 0.36。将显微镜头组各镜头集成测试后，集成到系统中进行图像性能测试。对比度测试结果如图 10 所示，1.9 m 密集线条的对比度为 0.38，与仿真软件结果对比如表 4 所示，各项指标均与仿真结果相对应。图6中心偏差测量示意图表3中心偏差测量结果镜片编号1#2#3#4#5#6#X 方向-6.36.1-14.212.1-13.6-4.5Y 方向-5.3-6.8-5.19.16.3-12.1X 方向-55.6-139.7-86.4-132.8-142.651.3Y 方向-49.5113.7105.911.1-56.4-43.6光轴偏心误差/m倾斜误差/（）图9代入公差后的仿真结果图10 2 m密集线条对比度结果表4成像性能测试结果表类别仿真结果实测结果分辨率/m21.9对比度0.360.38参考轴=旋转轴被测表面曲率中心RrC2表面 1表面 2表面 3表面 4表面 5表面 6C4C1C5C3%OTF 模值1.00.5001.53.04.56.