雙遠心光路設計
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-19
雙遠心光路設計的實例教程
長春理工大學段潔副教授團隊基于Zemax光學設計軟件成功研發出對稱式雙遠心光路-雙CCD光學成像系統[1]，有效解決了大型階梯軸直徑測量的精度難題。本文將深度解析該系統的設計邏輯、Zemax仿真優化過程及工程應用價值，展現光學設計軟件在高端制造領域的核心賦能作用。
大型階梯軸測量的技術瓶頸
大型階梯軸的直徑通常在600mm-800mm之間，其尺寸精度直接影響裝備的傳動效率和運行穩定性。在實際生產中，測量設備面臨多重技術挑戰：
傳統接觸式測量易造成工件表面損傷，且測量誤差受壓力、溫度等環境因素影響顯著；超聲波測量、偏振成像測量等非接觸方法存在抗干擾能力弱、精度不足等問題；光學成像系統因透鏡裝配偏心、光軸不重合，導致準直性下降，測量誤差難以控制；現有光學系統或結構復雜、或視場過小（如部分系統物方線視場僅60mm），無法適配大型階梯軸測量需求。
隨著高端裝備制造對精度要求的不斷提升，行業迫切需要一款兼具大視場、高精度、高穩定性的光學成像測量系統。
基于Zemax的對稱式雙遠心光路設計
團隊提出的對稱式雙遠心光路-雙CCD測量方法，以平面反射鏡誤差補償為核心創新點，通過Zemax軟件完成光路設計、參數優化與性能仿真，構建了滿足大型階梯軸測量需求的光學系統。
（一）設計原理：雙遠心光路的精度保障
雙遠心光路將物方遠心與像方遠心光路融合，孔徑光闌置于物方和像方共同焦點位置，使物像方主光線均平行于光軸。這一設計從根本上消除了物距、像距變化引起的測量誤差，確保放大倍率恒定[2]，為高精度測量奠定基礎。
針對大型階梯軸尺寸超過CCD光敏面的問題，系統采用對稱式雙CCD布局，如圖1所示：光源經準直擴束系統形成平行光，投射至被測軸表面形成陰影，兩個CCD傳感器分別采集軸的兩側邊緣數據，通過放大濾波、A/D轉換及算法計算，得到實際直徑尺寸。
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</p><p><strong>全系統集成優化</strong>：搭建單光路整體模型，嚴格控制中間像面像高與光線遠心度；基于5mm基線距離搭建雙光路模型，加入共用式直角棱鏡，仿真驗證雙光路平行性與成像匹配性。最終實現單光路長度1099mm、有效通光口徑4.5mm，雙光路外徑≤11mm，滿足小口徑炮膛空間要求。
本案例依托 OAS 光學軟件，針對遠心物鏡開展全流程的設計、仿真與優化分析，精準模擬光路傳播特性與成像性能，量化各項光學參數對系統的影響，為遠心物鏡的高精度設計與工程化落地提供科學的仿真依據。
因此，研發一款兼具高分辨率、低畸變、勻光效果優異的投影物鏡，對推動微米級芯片制造技術升級具有重要現實意義。
核心設計理論與技術指標
1）系統工作原理
為解決基板離焦導致的倍率誤差問題，該投影物鏡采用雙遠心光路結構，整體類似4F成像系統。前組透鏡的后焦面與后組透鏡的前焦面重合，視場光闌位于該重合平面，分別將前組、后組透鏡成像于物方、像方無窮遠。
基于Zemax的對稱式雙遠心光路設計
團隊提出的對稱式雙遠心光路-雙CCD測量方法，以平面反射鏡誤差補償為核心創新點，通過Zemax軟件完成光路設計、參數優化與性能仿真，構建了滿足大型階梯軸測量需求的光學系統。
（一）設計原理：雙遠心光路的精度保障
雙遠心光路將物方遠心與像方遠心光路融合，孔徑光闌置于物方和像方共同焦點位置，使物像方主光線均平行于光軸。
案例說明
遠心物鏡廣泛應用于機器視覺檢測、高精度測量、工業顯微成像與半導體光刻中，用于實現物方或像方遠心光路、消除視差誤差以及保證高倍率下的測量精度。其具有成像畸變小、工作距離靈活、放大倍率穩定的優點，適合應用于對測量精度要求嚴苛的光學系統。
應用場景
遠心物鏡廣泛應用于機器視覺檢測、高精度測量、工業顯微成像與半導體光刻中，用于實現物方或像方遠心光路、消除視差誤差以及保證高倍率下的測量精度。其具有成像畸變小、工作距離靈活、放大倍率穩定的優點，適合應用于對測量精度要求嚴苛的光學系統。
三維矢量成像模型通過全空間矢量光場建模，可精準捕捉雙遠心光路下三維偏振演化與深度衍射規律，成為破解該瓶頸的關鍵。本文以零波像差雙遠心成像為視角，對比二維與三維矢量模型的適配性差異，重點聚焦三維模型的應用機理，為先進三維制程光刻精度提升提供理論支撐。
三維矢量成像模型通過全空間矢量光場建模，可精準捕捉非雙遠心光路下三維偏振演化與深度衍射規律，成為破解瓶頸的關鍵。本文以零波像差非雙遠心成像為視角，對比二維與三維模型適配性，重點聚焦三維模型應用機理，為先進三維制程光刻精度提升提供支撐。
三維矢量成像模型通過全空間矢量光場建模，可精準捕捉雙遠心光路下三維偏振演化與深度衍射規律，成為破解該瓶頸的關鍵。本文以零波像差雙遠心成像為視角，對比二維與三維矢量模型的適配性差異，重點聚焦三維模型的應用機理，為先進三維制程光刻精度提升提供理論支撐。
光刻技術第4期 | 光刻成像理論6個月前
成像模型對比：
03/成像分析
針對零波像差雙遠心、零波像差非雙遠心、存在波像差三種情況，對比二維與三維矢量成像模型的成像性能：
零波像差雙遠心：二者成像性能完全相同。
