СПОСОБ ЦЕНТРИРОВАНИЯ ЛИНЗ Российский патент 1997 года по МПК G01M11/00 G01B11/26 

Изобретение относится к технологии оптического приборостроения, а именно к способам точного центрирования линз и оптических узлов.

Известно устройство для центрирования линз, в котором используется способ центрирования линз, в котором определяют положение проекций центра качания поворотной части и центров кривизны поверхностей линзы на оси вращения шпинделя, совмещают центр кривизны первой поверхности линзы с плоскостью центра качания поворотной части патрона, проецируют изображение марки в автоколлимационную точку первой поверхности линзы, проводами сдвиговой части патрона центр кривизны поверхности приводят на ось вращения шпинделя, устраняя биение изображения марки в плоскости фотоприемника позиционно-регистрирующей системы, проецируют изображение марки в автоколлимационную точку второй поверхности линзы и приводят ее на ось вращения шпинделя приводами поворотной части патрона, а затем обрабатывают оправу линзы [1]
Известный способ имеет следующие недостатки. Необходимость совмещения центра кривизны одной из поверхностей линзы с плоскостью центра качания поворотной части патрона при помощи специальной переходной оправки существенно снижает точность обработки оправленных линз и оптических узлов из-за недостаточной жесткости консольной системы патрон-оправка-линза, особенно при большой длине консоли. Допустимый диапазон изменения длины переходной оправки ограничивает диапазон радиусов поверхностей центрируемых линз. Кроме того, достижение высокой точности и качества обработки ограничено дисбалансом патрона с центрируемой линзой.

Наиболее близким к сущности изобретения является способ, при котором оправу центрируемой линзы базируют на посадочные поверхности сдвиговой части патрона, соосные оптические оси опорной линзы, производят балансировку системы вращающихся частей шпинделя в исходном положении патрона, определяют пространственные координаты центра качания поворотной части патрона и центров кривизны поверхностей центрируемой линзы, поворотной и сдвиговой частями выводят ось центрируемой линзы на ось вращения шпинделя и обрабатывают оправку линзы [2] При этом снимаются ограничения на величину радиусов центрируемых линз и повышается точность обработки за счет минимизации консоли патрон-оправка-линза. Однако данный способ имеет недостатки, проявляющиеся в биении оси шпинделя и вибрации устройства при обработке оправы из-за дисбаланса, вызванного смещением поворотной, сдвиговой частей патрона и центрируемой линзы в оправе после совмещения оси линзы с осью вращения шпинделя, что приводит к снижению точности центрирования линзы и ухудшению качества обработки поверхностей оправы. Кроме того, большой дисбаланс смещенных частей и линзы в оправе может привести к выходу шпинделя из строя.

Способ центрирования линз при помощи патрона с поворотной и сдвиговой частями, закрепленного в шпинделе центрировочного станка, состоящий из операций балансировки патрона в исходном положении, установки линзы из патрона, определения координат центра качания патрона, центров кривизны поверхностей линзы, совмещения оси линзы с осью вращения шпинделя, определения массы и координат центров тяжести поворотной и сдвиговой частей патрона с линзой, тонкой балансировки патрона с линзой предпочтительно установкой одного или нескольких компенсирующих грузов на заданном расстоянии от оси вращения шпинделя в направлении, противоположном вектору общего дисбаланса, и обработки посадочных поверхностей линзы, причем радиальные координаты Д_x и Д_y вектора общего дисбаланса и его величину Д определяют из выражений


где X₁, Y₂, X₂, Y₂, X_пов, Y_пов, X_сдв, Y_сдв, X_л, Y_л радиальные координаты соответственно центров кривизны первой и второй поверхностей линзы, центров тяжести поворотной и сдвиговой частей патрона и линзы; Z₁, Z₂, Z_ц, Z_пов, Z_сдв, Z_л осевые координаты соответственно центров тяжести поворотной и сдвиговой частей патрона и линзы; M_пов, M_сдв, M_л массы соответственно поворотной и сдвиговой частей патрона и линзы.

Способ позволяет повысить в несколько раз точность центрирования и качество обработки линз в оправах с большой начальной децентрировкой за счет введения перед обработкой оправы операции тонкой балансировки патрона с линзой с учетом пространственного положения центров тяжести подвижных частей, центра качания патрона и центров кривизны поверхностей линзы, а также позволяет избежать пробных пусков шпинделя и необходимости наличия специального балансировочного оборудования, что уменьшает вероятность выхода из строя шпинделя и повышает производительность балансировки.

Суть изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема расположения центров кривизны линзы и центров тяжести поворотной и сдвиговой частей патрона и линзы в произвольном положении; на фиг. 2 схема для расчета радиальных смещений центров тяжести поворотной и сдвиговой частей патрона и линзы после перемещения линзы в промежуточное положение; на фиг. 3 схема для расчета радиальных смещений сдвиговой части патрона и линзы после совмещения оси линзы с осью шпинделя; на фиг. 4 схема тонкой балансировки, на фиг. 5 - устройство для реализации способа.

Суть способа заключается в следующем.

Линзу 1 (фиг. 1) устанавливают на шпиндель 2 при помощи патрона 3 с поворотной 4 и сдвиговой 5 частями. Шпиндель 2 с патроном 3 предварительно отбалансированы в исходном положении. При этом центры тяжести П поворотной 4 и C сдвиговой 5 частей патрона 3 были совмещены с осью вращения шпинделя 2, что позволяет в дальнейшем отсчитывать радиальные координаты X_пов, Y_пов, X_сдв, Y_сдв соответственно центров тяжести поворотной 4 и сдвиговой 5 частей патрона 3 от исходного положения. Определяют координаты центра качания П поворотной части патрона (Z_ц), центров кривизны первой и второй поверхностей линзы 1 (X₁, Y₁, X₂, Y₂), центров тяжести П поворотной 4 и C сдвиговой 5 частей патрона и Л линзы 1 (X_пов, Y_пов, Z_пов, X_сдв, Y_сдв, Z_сдв). При этом радиальные координаты могут быть определены при помощи измерительной системы 6, а осевые с использованием данных чертежей на патрон и линзу расчетным путем.

Определяют массы M_пов, M_сдв и M_л соответственно поворотной 4 и сдвиговой 5 частей патрона 3 и линзы 1 расчетным путем или взвешиванием.

Производят совмещение оптической оси O₁O₂ линзы 1 с осью вращения шпинделя 2.

Принимая, что совмещение оптической оси O₁ и O₂ линзы 1 с осью вращения шпинделя 2 может быть осуществлено последовательно сначала угловым, а затем сдвиговым перемещением определяют координаты центров тяжести П поворотной 4 и С сдвиговой частей патрона 3 и Л линзы 1.

Радикальные координаты центров тяжести подвижных частей после углового выставления (фиг. 2) можно определить из выражений:

где радиальные координаты соответственно центров тяжести П, С и Л поворотной 4 и сдвиговой 5 частей патрона 3 и линзы 1, после углового выставления линзы 1; l_повx, l_повy, l_сдвx, l_сдвy, l_лx, l_лy величины радиальных перемещений соответственно поворотной 4, сдвиговой 5 частей патрона 3 и линзы 1 при угловом выставлении линзы 1.

Учитывая, что конструктивно можно обеспечить совмещение центра качания Ц с осью вращения шпинделя и ввиду малости влияния его радиальных смещений, можно записать:

Откуда

Радиальные координаты промежуточной точки X_п и Y_п можно определить из выражений:

Очевидно, что для выставления оптической оси O₁O₂ линзы 1 из промежуточной точки на ось вращения шпинделя 2 нужно переместить ее по оси X на расстояние (-X_п) и по оси Y на (-Y_п) при помощи сдвиговой части 5 патрона 3 (фиг. 3), откуда

где радиальные координаты соответственно центров тяжести сдвиговой 5 части патрона 3 и линзы 1 перед ее обработкой.

Используя выражения (1).(24) определяют координаты соответственно Д_x и Д_y вектора Д общего дисбаланса и величину Д вектора


После этого выполняют тонкую балансировку патрона с линзой, согласно схеме, приведенной на фиг. 4, например, креплением на заданном расстоянии от оси вращения шпинделя в направлении, противоположном вектору общего дисбаланса Д компенсирующего груза массой а затем производят обработку линзы 1.

Пример выполнения способа
Предлагаемый способ был опробован при центрировании линзы в оправе Я2М3.946.485 проекционного фотолитографического объектива "Бинар 404П" на установке обработки элементов объективов СО-001А. Линза 1 в оправе, изготовленной из латуни ЛС59-1, крепилась на сдвиговую часть 5 патрона 3 при помощи технологической оправы 7 с базированием по поверхностям 8, 9 (фиг. 5).

Оптическая ось опорной линзы 10, закрепленной в сдвиговой части 5 патрона 3, выставлена перпендикулярно поверхности 8 и соосно поверхности 9. На поверхности 8 было дополнительно установлено кольцо 11 с канавкой 12 для установки компенсирующих грузов 13.

В исходном положении, при совмещенной оси опорной линзы 10 с осью шпинделя 2 была произведена балансировка системы вращающихся частей. После балансировки абсолютная амплитуда колебаний корпуса шпинделя 2 для частот свыше 3 Гц при скоростях вращения шпинделя 2 до 700 об/мин не превышала 0,5 мкм и соответствовала фоновому значению.

Первоначально центрировка линзы 1 производилась по способу, приведенному в [2] Измерение радиальных координат центров кривизны поверхностей линзы 1 и контроль качества выставления ее на ось вращения шпинделя 2 производилось при помощи фотоэлектрической системы контроля децентрировки (на чертеже не показано) при частоте вращения шпинделя 2 10 об/мин.

Обработка торцев 14, 15 и диаметра 16 оправы линзы 1 производилась при помощи алмазного резца ИР-375.00.000, с глубиной резания 15 мкм, с частотой вращения шпинделя 2 500 об/мин и подачей 4 мкм/об. Абсолютная амплитуда колебаний корпуса шпинделя 2 на частотах свыше 3 Гц при точении достигал 1,5.2 мкм.

После обработки биение торцев 14, 15 относительно оси вращения шпинделя 2 при малых частотах вращения составило 1.1,2 мкм, диаметра 16 1,5 мкм, шероховатость обработанных поверхностей Затем патрон был снова приведен в исходное положение, повторно установлена линза 1 в оправе и отцентрирована согласно предлагаемому способу. Были измерены радиальные координаты центров кривизны поверхностей линзы 1, расчетным путем определены массы и положения центров масс сдвиговой 5, поворотной 4 частей патрона 3 и линзы 1 в оправе с технологической оправкой 7. Исходные данные для выставления линзы 1 на ось вращения шпинделя 2 и тонкой балансировки патрона 3 с линзой 1 путем установки компенсирующего груза 13 на заданном расстоянии r от оси шпинделя 2:
Z_ц 600; Z₁ 118; X₁ 0,05; Y₁ 0,03;
Z₂ 66; X₂ 0,006; Y₂ 0,046;
M_пов 10,2 кг; Z_пов 20; M_сдв 10,5 кг; Z_сдв 58;
M_л 1,5 кг; Z_л 130; r 150; X_пов Y_пов X_сдв Y_сдв X_л Y_л 0
Откуда



После выставления линзы 1 в оправе на ось вращения шпинделя и установки компенсирующего груза была произведена обработка оправы тем же инструментом и при тех же режимах обработки.

Абсолютная амплитуда колебаний корпуса шпинделя на частотах свыше 3 Гц при течении не отличалась от фонового значения.

После обработки биение торцев 11, 12 и диаметра 13 не превышала 0,2 мкм.

Использование: изобретение относится к области технологии оптического приборостроения, а именно к способам центрирования линз и оптических систем путем выставления их относительно оси вращения шпинделя и обработки посадочных поверхностей. Сущность изобретения: линза 1 устанавливается на шпиндель 2 при помощи патрона 3 с поворотной 4 и сдвиговой 5 частями. Определяются координаты центра Ц патрона 3, центров О₁ и О₂ линзы 1, определяются массы и координаты центров тяжести поворотной 4, сдвиговой 5 частей патрона и линзы 1. С учетом пространственного положения центров кривизны О₁, O₂ линзы 1, центра качания Ц патрона 3 и центров тяжести П - поворотной части, C - сдвиговой части патрона 3 и Л - линзы 1 определяются радиальные координаты и величина вектора общего дисбаланса патрона 3 с линзой 1 после выставления последней на ось вращения шпинделя 2. Производится тонкая балансировка патрона 3 с линзой 1 перед ее обработкой, предпочтительно, установкой на заданном расстоянии от оси вращения шпинделя 2 одного или нескольких компенсирующих грузов в направлении, противоположном вектору общего дисбаланса. 5 ил.

Способ центрирования линз при помощи патрона с поворотной и сдвиговой частями, закрепленного в шпинделе центрировочного станка, включающий операции балансировки патрона в исходном положении, установки линзы на патрон, определения координат центра качания патрона, центров кривизны поверхностей линзы, совмещения оси линзы с осью вращения шпинделя и обработку посадочных поверхностей линзы, отличающийся тем, что перед обработкой посадочных поверхностей линзы определяют массы и координаты центров тяжести поворотной и сдвиговой частей патрона и линзы, координаты и величину векторов общего дисбаланса с линзой, производят тонкую балансировку патрона с линзой установкой одного или нескольких компенсирующих грузов на заданном расстоянии от оси вращения шпинделя в направлении, противоположном вектору общего дисбаланса, причем радиальные координаты D_x и D_y вектора общего дисбаланса и его величину D определяют из выражений



где X₁, X₂, Y₁, Y₂, X_пов Y_пов, X_сдв, Y_сдв, X_л, Y_л радиальные координаты соответственно центров кривизны первой и второй поверхностей линзы, центров тяжести поворотной и сдвиговой частей патрона и линзы;
Z₁, Z₂, Z_ц, Z_пов, Z_сдв, Z_л - осевые координаты соответственно центров кривизны первой и второй поверхностей линзы, центра качания патрона, центров тяжести поворотной и сдвиговой частей патрона и линзы;
М_пов, М_сдв, M_л массы соответственно поворотной и сдвиговой частей патрона и линзы.