Например, Бобцов

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СБОРКИ МИКРООБЪЕКТИВОВ

22 А. П. Смирнов, С. М. Латыев
УДК 681.4.07

А. П. СМИРНОВ, С. М. ЛАТЫЕВ
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СБОРКИ МИКРООБЪЕКТИВОВ

Приведен вывод соотношений, положенных в основу алгоритма автоматической сборки микрообъективов с учетом технологических погрешностей их компонентов.

Ключевые слова: микрообъектив, сборка, автоматизация, модель.

Алгоритм автоматической сборки микрообъективов базируется на математической моде-

ли реальной конструкции, учитывающей технологические погрешности ее компонентов [1, 2].

Критериями качества сборки микрообъектива из реальных компонентов (с погрешностями)

являются его суммарные аберрации — сферическая, кома, дисторсия, астигматизм, которые

на практике выявляются по дифракционному изображению точки. В предлагаемой в настоя-

щей статье модели оптимизация конструкции осуществляется по критериям минимума сфе-

рической аберрации и комы. Для вычисления целевой функции требуется информация о про-

странственном положении всех оптических поверхностей микрообъектива. Решению этой

задачи и посвящена настоящая статья.

Рассмотрим обобщенный компонент микрообъектива, представляющий собой линзу,

заключенную в оправу (рис. 1, а), где базовыми поверхностями являются плоскость А и ци-

линдр Е, образующие базовую ось ЕА. На рис. 1, б, в показаны измеренные параметры и пер-

вичные погрешности обобщенного компонента, лежащие в пределах соответствующих до-

пусков.

а) ∆CH, ∆γH GE

б) X ∆CH

F ∆CB ∆γB ∆γH

CB ⊕ ∆CB,∆γB EA

RB V
L

B X ⊕ ∆CF,∆γF EA
CF Y О Z RF
A

∅D

Y в)

∆γF Z
∆CF
∆RB, ∆RF

Клей (Klebstoff)

H1 H2 H

∆CB, ∆γB; ∆CF,∆γF
H; H1; H2 ∆D; ∆CH, ∆γH

Рис. 1
Оптические поверхности будем задавать координатами вершины V и ортом L нормали к поверхности в точке вершины во внешней системе координат (OXYZ), ось аппликат которой направлена вдоль оптической оси, ось абсцисс, например, вертикальна, а ось ординат — горизонтальна. Начало координат находится на одной из базовых плоскостей, например, первого компонента по ходу лучей. Координаты вершины и направление нормали зависят от пара-

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11

Математическая модель автоматизированной сборки микрообъективов

23

метров элементов объектива и погрешностей, технологических и конструктивных, связанных с креплением объектива.
Базовая ось ЕА используется для центрировки поверхностей линзы при ее вклейке или результативной обработке оправы после вклейки линзы. Относительно поверхности А задаются допуски на торцевое биение, в результате которого рабочая плоскость G оправы имеет наклон к вертикальной плоскости OXY. Торцевое биение (согласно ГОСТ 24642-83) — это разность наибольшего и наименьшего расстояний ∆СН от базовой плоскости, перпендикулярной базовой оси, до рабочей плоскости. Помимо этого параметра, для определенности должны быть известны азимут наклона ∆γН относительно координатной оси OX (или метка наклона) и абсолютное значение толщины Н оправы в плоскости сечения, отмеченной меткой (рис. 2). В зоне, отмеченной меткой, торцевое биение максимально.
∆CH

β О′

ОY X
Метка

v H

v–v

Рис. 2

Измерение толщин Н, Н1 и Н2 оправы осуществляется по единой линии в одной меридиональной плоскости. Азимутальные углы эксцентриситетов отсчитываются от метки на торце

оправы (см. рис. 2). С помощью измеренных величин толщин и параметров эксцентриситетов

вершин определяются положения вершин и направления нормалей к оптическим поверхно-

стям. Для удобства изложения отметим 6 этапов, ведущих к решению поставленной задачи.

1. Определение параметров вершины оптической поверхности в локальной системе

координат. В локальной системе координат, с началом координат в точке O пересечения оп-

тической оси базовой плоскостью А (см. рис. 1 и 2), координаты вершин поверхностей любо-

го компонента объектива с учетом децентрировки определяются как

VF = ∆СF cos(∆γF ) ⋅ i + ∆СF sin(∆γF ) ⋅ j + (H1 − H ) ⋅ k, VB = ∆СB cos(∆γB ) ⋅ i + ∆СB sin(∆γB ) ⋅ j − H2 ⋅ k.

(1)

Нормаль к оптической поверхности в этой же локальной системе координат коллинеар-

на оси аппликат: L = k.

2. Вычисление глобальных координат реперной точки. Локальные координаты ре-

перной точки имеют начало на оптической оси в центре оправы (точка О на рис. 2); глобаль-

ные координаты этой точки зависят от параметров торцевого биения соприкасающихся ком-

понентов. Координаты реперной точки Zk+1, ее аппликата, как следует из рис. 3, определяются как проекция векторного суммирования:

Zk+1 = Zk + c1 + c2 + c3 ,

(2)

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11

24 А. П. Смирнов, С. М. Латыев

c1

=

Dk +1 2

sin βk ;

c2 = HNk ;

c3

=

Dk +1 2

sin βk+1;

tg β

=

∆CH D

,

где βk и βk+1 — углы наклона плоскостей к вертикальной плоскости; Nk — нормаль к k-й опти-

ческой поверхности.

X

с2 с3 с1
Zk+1 Zk

Z

с1 с3 Y

Рис. 3
3. Определение нормали к плоскости, имеющей торцевое биение. Рассмотрим ре-

зультат присоединения базовой плоскости А компонента к плоскости, имеющей вследствие

торцевого биения наклон на угол β и на азимутальный угол ∆γН, отмеченный меткой (см. рис.2). Тогда нормаль к оптической поверхности можно описать вектором N (рис. 4):

⎛ sin β cos(∆γН − π) ⎞ ⎛ − sin β cos(∆γН ) ⎞

N

=

⎜ ⎜

sin

β

sin(∆γ

Н

− π)

⎟ ⎟

=

⎜ ⎜



sin

β

sin(∆γ

Н

)

⎟⎟.

⎜⎝ cosβ

⎟⎠ ⎜⎝ cosβ ⎟⎠

(3)

X

N βZ

Y ∆γH
Рис. 4
4. Определение координат центра оправы относительно реперной точки и направления нормали к оптической поверхности. Определим координаты точки О (см. рис. 2) — центра базовой поверхности — в результате ее присоединения к наклонной плоскости, когда компонент сдвигается по опорной плоскости вниз (рис. 5) и точка О перемещается в точку U.
X

D0

V OZ

N η

U

Y D

∆γH

h
HV H
Рис. 5
Положим, что сборка микрообъектива происходит при горизонтально расположенном тубусе (см. рис. 5). Примыкающая деталь находится слева от опорной плоскости. Тогда нор-

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11

Математическая модель автоматизированной сборки микрообъективов

25

маль к опорной плоскости равна вектору Nоп = (sin β, 0, cosβ). В общем случае нормаль к
опорной плоскости и оптической поверхности с помощью матрицы поворота относительно оси аппликат (МZ) характеризуется выражением

⎛ sin β ⎞ ⎛ sin β cos(∆γH ) ⎞

Nоп

=

MZ

( −∆γ H

)

⎜ ⎜

0

⎟ ⎟

=

⎜ ⎜

sin

β

sin(∆γ

H

)

⎟ ⎟

.

⎝⎜ cos β⎠⎟ ⎝⎜ cosβ

⎠⎟

(4)

Кроме матрицы поворота относительно оси OZ, необходимо определить матрицу поворота относительно оси OY, они имеют следующий вид:

⎛ cos x 0 − sin x ⎞

M

Y

(

x)

=

⎜ ⎜

0

1

0

⎟ ⎟

,

⎜⎝ sin x 0 cos x ⎟⎠

⎛ cos x

M

Z

(γ)

=

⎜ ⎜



sin

x

⎝⎜ 0

sin x 0 ⎞

cos x 0

0 1

⎟⎟⎠⎟ .

(5)

Углы поворота (η, θ) нижней направляющей цилиндра оправы относительно осей OY и OX согласно выражению (4) определяются как

tgη =

NX NZ

= tgβ cos (∆γH ),

tgθ =

NY NZ

= tgβsin (∆γH ) ,

(6)

где NX, NY, NZ — проекции нормали N на координатные оси. Вследствие поворота детали вокруг вертикальной оси при перемещении вниз она не
достигнет самой нижней точки тубуса. Тогда высота h (рис. 6) определяется из выражения

h = D0 −

D02

− H 2 sin2 θ 2



H 2 sin2 θ 4D0

.

(7)

D h

θ H

Рис. 6
Прилегание боковых плоскостей смежных деталей произойдет, если боковой зазор имеет достаточную величину. Это условие справедливо при выполнении соотношения

H sin (∆γH ) + Dtg (∆γH ) ≤ D0.

(8)

В этом случае в зависимости от того, принадлежит ли азимутальный угол левой или правой полуплоскости, координаты центра U примыкающей детали, как видно из рис. 5, определяются как

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11

26 А. П. Смирнов, С. М. Латыев

U

=

1 2

⎛ ⎜ ⎜ ⎝⎜

D sin

D cos η − D0 + h 0
η + (D0 − h)tgβ cos (∆γH



⎟ ⎟

,

) ⎟⎠

U

=

1 2

⎛ ⎜ ⎜ ⎜⎝

D cos η − D0 + h + 2H sin η 0
−D sin η + (D0 − h)tgβ cos (∆γH



⎟ ⎟

,

) ⎠⎟

π 2



∆γ H



3π 2

;

∆γ H



⎢⎡⎣0,

π 2

⎤ ⎥⎦



⎡ ⎣⎢

3π 2

,

2π⎥⎦⎤

.

(9)

Если же условие (8) не выполняется, возникает неопределенность положения примы-

кающей детали, поэтому алгоритм решения задачи прерывается и исследуется иная комбина-

ция комплектующих деталей.

5. Определение координат вершины поверхности относительно реперной точки.

Зная положение точки U на опорной плоскости (см. формулы (9)) и направление нормали к

опорной плоскости, координаты вершины оптической поверхности можно определить путем

векторного суммирования:

V = U + M Z (∆γH )MY (β)V0,

(10)

где V0 = VF или VB , которые определены в уравнениях (1).

6. Определение направления нормали к опорной плоскости при накапливании тех-

нологических погрешностей. При автоматизированной сборке конструкции микрообъектива

положение опорной плоскости определяется наклонами всех задействованных плоскостей.

Пусть текущий угол наклона опорной плоскости βi, азимутальный угол наклона ∆γH,i, соответствующие углы примыкающей плоскости: βi+1, ∆γH ,i+1. Как видно из рис. 4, вследствие

поворотов, описываемых произведением матриц MY (βi )M Z (−∆γH ,i ) , орт опорной плоскости

коллинеарен оси OZ, поэтому обратное преобразование, примененное к орту нормали к при-

мыкающей плоскости, даст результирующее направление нормали:

Ni′+1 = M Z (∆γH ,i )MY (−βi )Ni+1 .

Таким образом, алгоритм определения координат вершин и направлений нормалей к поверхности компонентов микрообъектива состоит в следующем.
Дано: 1) положение первой опорной плоскости: параметры торцевого биения ∆СH ,0, ∆γH ,0 и
аппликата Z0 опорной плоскости, измеренная по нулевому азимуту; 2) параметры торцевого биения ∆СH ,i , ∆γH ,i и толщины Нi оправ компонентов
(см. рис.1), измеренные по нулевому азимуту, i = 1, 2, ..., K;
3) параметры радиального биения оптических поверхностей: ∆СF,i , ∆γF,i , ∆СB,i , ∆γB,i ;
4) диаметр тубуса D0 и диаметры оправ Di. О п е р а ц и и : декартова система координат располагается так, что ось OZ совпадает с геометрической осью тубуса, ось OX — вертикальная, ось OY — горизонтальная. Начало координат выбрано так, что аппликата первой опорной плоскости Z0=0. Решение. Шаг 1. Назначение счетчика компонента: i=0. Начальные значения параметров базовой плоскости начальной опорной детали: Z0 = 0, β0 = 0, ∆γH ,0 = 0.
Шаг 2. Введение номера следующего компонента: i+1. Шаг 3. Определение критерия контакта (КК) плоскостей согласно формуле (8):
( ) ( )KK = D0 − Hi sin ∆γH ,i−1 + Ditg ∆γH ,i−1 .

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11

Математическая модель автоматизированной сборки микрообъективов

27

Шаг 4. При условии КК < 0 прерывание вычислений с сообщением о необходимости

замены набора компонентов.

Шаг 5. Вычисление угла наклона опорной плоскости к вертикальной плоскости:

βi

=

arctg

⎛ ⎜



∆CH ,i−1 Di−1

⎟⎞ . ⎠

Шаг 6. Определение направления нормали к опорной плоскости с использованием фор-

мул (3) и (5): Ni′ = M Z (∆γH ,i−1)MY (−βi−1)Ni .

Шаг 7. Определение аппликаты точки пересечения Оi опорной плоскости и оси OZ согласно формуле (2):

Zi

=

Zi−1

+

Di−1 2

(sin βi−1

+ sin βi ) +

Hi−1 cosβi−1.

Шаг 8. Вычисление угла наклона опорной плоскости к горизонтальной плоскости

(см. рис. 5) и угла (согласно формуле (6)) между направляющими базового цилиндра и ци-

( ) ( )линдра оправы (см. рис. 6): tg ηi = tg βi cos ∆γH ,i−1 , tg θi = tg βi sin ∆γH ,i−1 .

Шаг 9. Вычисление высоты hi = D0 −

D02 − Hi2 sin2 θi . 2

Шаг

10.

Проверка

условия

a

=

⎧π

⎨ ⎩

2



∆γ H ,i−1



3π 2

⎬⎫. ⎭

Шаг 11. При выполнении условия а вычисление координат точки пересечения оптиче-

ской оси компонента с опорной плоскостью (согласно уравнениям (9)) по формуле

( )Ui

=

1 2

⎛ ⎜ ⎜ ⎜⎜⎝

Di

sin

ηi

Di cos ηi − D0 + hi 0
+ (D0 − hi ) tg βi cos

∆γ H ,i−1

⎞ ⎟ ⎟; ⎟⎟⎠

при невыполнении условия а — по формуле

( )Ui

=

1 2

⎛ ⎜ ⎜ ⎜⎝⎜

−Di

Di sin

cos η − D0 ηi + (D0 −

+ hi + 2Hi sin ηi 0
hi ) tg βi cos ∆γH

,i−1

⎞ ⎟ ⎟. ⎟⎟⎠

Шаг 12. Определение координат вершин оптических поверхностей, принадлежащих те-

кущей оправе (1) в локальной системе координат:

(( ))VB(л,iок)

=

⎛ ⎜

∆СB,i

cos

⎜ ∆СB sin

∆γ F,i ∆γ F,i

⎞ ⎟ ⎟,

⎜⎜⎝ H2,i ⎟⎟⎠

(( ))VF(л,iок)

=

⎛ ⎜

∆СF ,i

cos

⎜ ∆СF sin

∆γ F,i ∆γ F,i

⎞ ⎟ ⎟.

⎜⎝⎜ H1,i − Hi

⎟⎟⎠

Шаг 13. Определение координат вершин оптических поверхностей в глобальной систе-

ме координат согласно формуле (10):

⎛VB,i ⎜⎝⎜VF ,i

⎞ ⎠⎟⎟

=

Ui

+

MZ

(∆γ H ,i−1)MY

(βi

)

⎛ ⎜

VB(л,iок)

⎝⎜VF(л,iок)

⎞ ⎟ ⎠⎟

.

Шаг 14. Если i ≠ K , то переход к шагу 2, иначе — останов алгоритма с выводом пара-

метров оптических поверхностей.

В дальнейшем предложенная модель может быть использована для построения алго-

ритма автоматизированной сборки микрообъективов.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11

28 А. П. Смирнов, А. С. Резников, Д. А. Абрамов

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Latyev S. M., Jablotschnikov E. I., Padun D. S. et al. Laborotory for automated assembly of microscope lenses // 53 Intern. Wissenschaftliches Kolloquium, Techn. Univ. Ilmenau, 8—12 Sept. 2008. P. 247—249.

2. Бурбаев А. М., Егоров Г. В. Измерение децентрировок линз в оправах для микрообъективов // Изв. вузов. Приборостроение. 2007. Т. 50, № 4. С. 22—26.

Александр Павлович Смирнов Святослав Михайлович Латыев

Сведения об авторах — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; E-mail: apsmirnov@bk.ru — д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; зав. кафедрой; E-mail: smlatyev@yandex.ru

Рекомендована кафедрой компьютеризации и проектирования оптических приборов

Поступила в редакцию 26.04.11 г.

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 11