国研科技偏心量测技术与发展40005000.docVIP

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密模具產業的蓬勃發展對稱光學元件在製作或系統組裝時，光軸與旋轉對稱軸重合，偏心誤差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 ()；另一種是光軸與幾何中心軸之間的傾斜 (tilt)。之 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)。，，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、投影偏差量等如表所示。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 ()，如圖；另一種是光軸與幾何中心軸之間的傾斜 (tilt)如圖。單透鏡常見偏心狀況，為鏡片兩曲率中心對鏡片軸心平行偏移某距離，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。 在一般的光學系統中，假使透鏡的光軸與考軸並未重合，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量測法量測法。 機械 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 () 圓周上量測高低差值 (?)，如圖所示，式 (1) 計算得透鏡傾斜偏心量 (?)： (1) 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，使旋轉軸與鏡片同心軸重合，再以機械量錶配合圓筒旋轉一周，量測鏡片外緣偏差值 (runout)，如圖所示其中，值得注意的是為了避免鏡片表面接觸磨損，夾持圓筒應使用光滑彈性材並將邊緣圓角。一般而言，鏡片橫向偏移量 () 為量表量測值的一半。並以式 (2) 計算透鏡傾斜偏心量 (?)，其中、凸面時為正值，凹面時為負值。 (2) 對於厚鏡片 (中心厚度大於 15 mm) 而言，以鏡片邊緣中心軸為參考軸，量測上下曲面相對之偏心量主要方法為使用一種特製夾持器，如 V 型治具或三爪夾持座固定住透鏡邊緣旋轉，再以機械量表接觸上下曲面做量測，如圖 (4) 所示，計算上下面間距差值，轉換為鏡片偏心值。 量測光學反射式偏心量測係將鏡片置放於一(flatness 1 ?m) 之旋轉平台上， 由自準直儀 (autocollimator) 內之刻線板 (reticle) 投射出十字線 (crossline)，經物鏡聚焦至待測透鏡第一曲率中心 (center of curvature)，再由自準直儀目鏡觀察反射回來的十字線，若第一曲率中心偏離旋轉軸，則觀察到的十字線會繞著某中心旋轉此時旋轉鏡片並調整治具使得十字線在固定位置，再將物鏡聚焦至待測透鏡第二曲率中心，此時反射回來的十字線會繞著某半徑之圓旋轉，如圖所示此旋轉半徑經幾何換算後即為透鏡偏心量 (?)，如式： (3) 其中，為物鏡之有效焦長，為自準直儀之有效焦長，為待測鏡片之有效焦長為十字線旋轉直徑。 然而，許多待測鏡片為無法穿透之特殊材質，如鍺、矽，則需利用雷射反射式量測法計算偏心誤差值。雷射反射式量測一分光稜鏡將待測鏡片反射回去的雷射光反折至光訊號接收器上，如圖所示，再將接收器訊號放大分析 (放大倍率)，當入射雷射光與待測鏡片上表面中心點平面呈非正交時，反射的雷射光束將不隨原入射光路徑回去，當待測鏡片旋轉時，雷射光點會於接收器上繞某半徑之圓旋轉，以式 (4) 計算得透鏡傾斜偏心量 (?)，其中、分別為待測鏡片頂點至分光稜鏡中心點距離與分光稜鏡中心點至光訊號接收器距離。 (4) 3. 穿透式量測光學穿透式量測法主要針對光學系統做偏心量測。依實際光源不同，可區分為準直儀偏心量測法與雷射偏心量測法。 準直儀偏心量測法之量測原理，如圖所示，上下使用具準直儀 (collimator)，由置於下方之準直儀投射出十字標線平行光束，經待測光學系統或鏡組聚焦於某焦點，再由另一自準直儀配合適當物鏡將此焦點導入目鏡觀察反射回來的十字線。若光學系統光