偏心量测技术与发展.pdfVIP

偏心量測技術與發展 文圖：李建興、吳文弘、黃國政、陳峰/ 志 儀器科技研究中心 前言 近年來，由於數位資訊產業爆發性的成長 ，小尺寸光學透鏡如讀寫鏡頭、數位相 機、手機相機與光通訊等相關元件之應用需求大幅增加。隨著模造玻璃成形與射出成 形等相關高精密模具產業的蓬勃發展，此類軸對稱光學元件在製作或系統組裝時，光 軸與旋轉對稱軸若不重合，將產生偏 心誤差，而此偏心誤差對於低 f/# 值及短背焦 (back focal length, BFL) 之小尺寸光學透鏡成像品質具有關鍵性的影響。偏心誤差可分 為兩種來源；一種是光軸與幾何中心軸之間的橫向偏移 (lateral displacement) ；另一種 是光軸與幾何中心軸之間的傾斜 (tilt) 。鑑於此類光學透鏡廣泛應用及其光學系統組裝 校正的要求，對於元件偏心誤差之檢測評估，則是製作高精度光學鏡片之一重要課 題。本文簡介偏心量測原理及 未來開發過程中可預期之關鍵技術與挑戰，以期提升國 內光學產業相關檢測能力。 何謂偏心 對於旋轉軸對稱光學元件或系統，其在元件製作或系統組裝時，光軸與旋轉對稱 軸之非重合現象，即為偏心誤差 (centring error) 。在光學元件及系統國際標準規範 ISO 10110中，係以基點 (datum point) 與基軸 (datum axis) 來描述同心度誤差 (centering error) 。如單一球面曲面，即以通過球面與基軸交點之表面法線 (normal to the surface) 與基軸間的夾角稱為表面傾角 (surface tilt angle) ，定義為同心度誤差，亦即前述之偏 心。以非球面曲面而言，其光軸由非球面上各點曲率中心 連線而成，一個非球面只能 定義出一個光軸。因此，非球面透鏡兩個面各可定義出一 個光軸，這兩光軸可能因製 造誤差不會重合，而產生透鏡 兩面光軸間的偏心與傾斜現象。偏心誤差根據其量測方 法的不同而有特殊的定義，常見的偏心誤差有偏折角、橫向位移、外緣偏心、邊緣厚 差值、錶計差量、投影偏差量等，定義如表 1所示。 偏心誤差可分為兩種來源：一種是光軸與幾何中心軸之間的橫向偏移 (lateral displacement) ，如圖 1(a) ；另一種是光軸與幾何中心軸之間的傾斜 (tilt) ，如圖 1(b) 。單 透鏡常見偏心狀況有三種，一為鏡片兩曲率中心對鏡片軸心平行偏移某距離，二為整 個鏡片與光軸偏斜一個角度。 此二類偏心的問題可在鏡片定心時，磨除多餘的邊厚解 決。第三種則是鏡片某一面有傾斜現象，因此該面曲率中 心偏移整體鏡片軸心，若傾 斜角度大於 30 ，將影響整體光學品質，則需重新對該曲面加工修正傾斜的問題。 傳統量測方法 在一般的光學系統中，假使透鏡的光軸與參考軸並未重合，光線進入光學系統 時，不管是透過反射或是折射所形成的光學成像都會出現誤差，進而影響了整個光學 系統的品質，因此，目前在組裝光學系統前，多會先對其中所需要使用的光學元件 (例 如透鏡) 進行偏心誤差的測量。偏心誤差量測方式依元件或系統要求精度的不同而有下 1 列兩類常見方式，一類為機械式量測法，另一類為光學式量測法。另外，依實際光源 的不同，光學式量測法又可區分為穿透式量測法與反射式量測法。 1. 機械量錶量測 機械式量測的方式主要針對單透鏡幾何外型測量其偏心。使用原理係依待測鏡片 參考面選擇的不同，配合不同旋轉夾持圓筒與特製夾持器 ，在確保鏡片周邊之中心軸 與夾持圓筒之旋轉軸重合後，利用機械量錶在鏡片距離中心軸 (R)圓周上量測高低差值 (ΔH) ，如圖 2所示，由式 (1)計算得透鏡傾斜偏心量 (σmechanical) ： H −H 5400 σmechanical max min ⋅ (arc min) (1) R π 另一種量測透鏡橫向偏移量的方法係利用 兩具夾持圓筒固定住上下兩曲面，使旋 轉軸