共軸光學(xué)系統(tǒng)是許多高端光機的核心部件,目前,航空航天和光刻技術(shù)對共軸光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量要求越發(fā)嚴苛。加工和裝配過程引入的光軸一致性誤差會破壞系統(tǒng)多光軸的一致性狀態(tài),必須通過裝配調(diào)整進行控制。傳統(tǒng)裝調(diào)方法裝調(diào)精度低,裝調(diào)周期長,現(xiàn)已逐漸被計算機輔助裝調(diào)(CAA)所取代。然而,共軸光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)元件數(shù)目多,裝配關(guān)系復(fù)雜,受零部件結(jié)合面誤差影響較大,適用于簡單離軸光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)的CAA技術(shù)無法準確求解共軸光學(xué)系統(tǒng)失調(diào)量。所以研究共軸光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)方法對于提高系統(tǒng)成像性能,縮短裝調(diào)周期有重要意義。本文主要以光軸一致性誤差為主導(dǎo),通過分析和控制典型共軸光學(xué)系統(tǒng)的裝配精度對裝調(diào)過程進行優(yōu)化。首先,針對由鏡組部件組成的典型共軸光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),提出以定中心基準軸傳遞路徑作為分析結(jié)合面誤差對光軸傾斜誤差影響的載體,并提出光軸傾斜誤差全局補償優(yōu)化的裝調(diào)思路。其次分析了零件表面誤差的描述方法,提出以最小二乘擬合平面作為實際裝配平面,并研究了相關(guān)測算方法;根據(jù)齊次坐標變換法,建立描述單個零件加工誤差和相鄰零件裝配誤差的位姿變換矩陣,進而建立了光軸偏角與相對裝入角度關(guān)系的計算模型。然后根據(jù)傳遞路徑類型,建立以光軸偏角最小為目標函數(shù)的優(yōu)化模型,提出遺傳算法等優(yōu)化方法;采用了 MTF作為系統(tǒng)像質(zhì)綜合評價標準,利用靈敏度分析法尋找高敏光軸傾斜誤差項,由此分解得到若干子傳遞路徑,設(shè)計光軸偏角優(yōu)化順序,得到一組合適的相對裝入角度及其誤差范圍。最后總結(jié)提出了共軸光學(xué)系統(tǒng)光軸一致性裝調(diào)方法的具體操作步驟,并利用Zemax和MATLAB對一個投影物鏡進行了裝調(diào)仿真優(yōu)化分析和驗證,證明了本文提出的利用零部件加工誤差的全局優(yōu)化方法可有效補償光軸傾斜誤差,也驗證了計算模型和裝調(diào)方法的可行性和實用性。
【學(xué)位單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TH74
【部分圖文】：

其中，具有一條對稱軸線的稱為共軸光學(xué)系統(tǒng)［１］。共軸光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展有逡逑著悠久的歷史自光學(xué)學(xué)科誕生起，基于共軸光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)儀器一一伽利略型望逡逑遠鏡和開普勒型望遠鏡（圖１．０就己出現(xiàn)了。絕大部分透鏡系統(tǒng)都屬于共軸光逡逑學(xué)系統(tǒng)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，共軸光學(xué)系統(tǒng)也越發(fā)趨于復(fù)雜化和精密化。逡逑伽利略型逡逑開普勒型逡逑物鏡逡逑一＊邐接目透鏡逡逑圖１．１兩種望遠鏡的結(jié)構(gòu)圖逡逑目前，精密共軸光學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：航空航天、武器制導(dǎo)、光刻技逡逑術(shù)和精密檢測等，具體作為光學(xué)鏡頭應(yīng)用于航天光學(xué)遙感器、紅外光學(xué)系統(tǒng)、微逡逑光夜視儀、望遠鏡、光刻機（圖１．２）和精密光學(xué)測量系統(tǒng)等，發(fā)揮遙感、識別逡逑和測控等作用。精密光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量要求為像清晰，物像相似，變形小。逡逑１逡逑

逡逑圖１．２某投影光刻機物鏡結(jié)構(gòu)圖逡逑其中，高端光刻機被稱為“世界上最精密的儀器”和“光學(xué)工程技術(shù)皇冠上逡逑的明珠”。半導(dǎo)體光刻的工藝水平高低，決定了在單位圓晶片上能夠集成晶體管的逡逑數(shù)目。光刻技術(shù)是集成電路的關(guān)鍵技術(shù)之一，光刻成本占據(jù)了整個制造成本的逡逑３５％。歐洲最大半導(dǎo)體設(shè)備廠艾司摩爾（ＡＳＭＬ）研制的最新的極紫外光（ＥＵＶ）逡逑光刻機的單價己達１億歐元。目前ＡＳＭＬ將最先進的光刻機可實現(xiàn)約１４ｎｍ的分逡逑辨率。因為西方國家進口限制、缺乏核心設(shè)備（光源、物鏡）生產(chǎn)能力和科研資逡逑金有限等原因，目前中國光刻機企業(yè)中處于技術(shù)領(lǐng)先的上海微電子裝備有限公司，逡逑已量產(chǎn)的光刻機中性能最好的是分辨率為９０ｎｍ的光刻機，如圖１．３所示。逡逑＿邋Ｓ逡逑Ｌ：＾＾一＾＾逡逑ｍ邋｜邋－邐？逡逑圖１．３上海微電子的ＳＳＡ６００／２０步進掃描投影光刻機逡逑共軸光學(xué)系統(tǒng)是包括光刻機在內(nèi)的許多高端光機的核心部件，要研發(fā)得到一逡逑款高性能共軸光學(xué)系統(tǒng)，其零件、部件和系統(tǒng)的設(shè)計、制造、裝配、檢驗和測量逡逑方面的技術(shù)保證缺一不可

因為西方國家進口限制、缺乏核心設(shè)備（光源、物鏡）生產(chǎn)能力和科研資逡逑金有限等原因，目前中國光刻機企業(yè)中處于技術(shù)領(lǐng)先的上海微電子裝備有限公司，逡逑已量產(chǎn)的光刻機中性能最好的是分辨率為９０ｎｍ的光刻機，如圖１．３所示。逡逑＿邋Ｓ逡逑Ｌ：＾＾一＾＾逡逑ｍ邋｜邋－邐？逡逑圖１．３上海微電子的ＳＳＡ６００／２０步進掃描投影光刻機逡逑共軸光學(xué)系統(tǒng)是包括光刻機在內(nèi)的許多高端光機的核心部件，要研發(fā)得到一逡逑款高性能共軸光學(xué)系統(tǒng)，其零件、部件和系統(tǒng)的設(shè)計、制造、裝配、檢驗和測量逡逑方面的技術(shù)保證缺一不可，時下這幾方面均存在許多亟待研究的課題。光學(xué)系統(tǒng)逡逑設(shè)計、光學(xué)加工技術(shù)、光學(xué)檢測方法以及裝配工藝直接影響著光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)逡逑量，高精密光學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)成像質(zhì)量主要受光學(xué)加工誤差和裝配技術(shù)的影響。光逡逑學(xué)加工和光學(xué)檢測技術(shù)短期內(nèi)難以提升，可以將提高光學(xué)成像質(zhì)量的重心放在光逡逑學(xué)系統(tǒng)的裝配上，即利用現(xiàn)有加工技術(shù)制造各組成光學(xué)元件，然后通過檢測獲得逡逑加工誤差，最后通過有效的裝調(diào)方法來獲取高成像質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)［２］。逡逑航天遙感器相機物鏡、光刻機物鏡均要求達到接近衍射極限的成像質(zhì)量

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