光学零部件的基本测量.ppt

第三章光学零部件的基本测量 光学测量 第三章光学零部件的基本测量 光学测量 第一节光学面形偏差的检测 第三章光学零部件的基本测量 光学测量 4 1 面形误差 实际面形与理想面形之间的偏差 2 面形偏差的表示方法 1 以曲率半径偏差表示 2 局部偏差表示 一 基本概念 二 面形偏差检验方法 干涉仪法 裴索平面干涉仪检测面形偏差裴索球面干涉仪检测面形偏差 刀口阴影法检测面形偏差 第一节光学面形偏差的检测 5 概述 光学干涉测试技术最初在光学零件和光学系统的检验中获得广泛应用 在光学零件面型 平行度 曲率半径等的测量中 斐索型干涉测量法与在光学车间广泛应用的牛顿型干涉测量法 样板法或牛顿型干涉法 相比 属于非接触测量 第一节光学面形偏差的检测 干涉法 6 现代干涉技术是物理学理论和当代技术有机结合的产物 激光 光电探测技术和信号处理技术对于干涉技术的发展起着重要的作用 历史进程 17世纪后半叶 玻意耳 Boyle 和胡克 Hooke 独立地观察了两块玻璃板接触时出现的彩色条纹 后被称作牛顿环 人类从此开始注意到了干涉现象 1690年 惠更斯出版 论光 提出 波动 说 1704年 牛顿出版 光学 提出了 微粒 说 1801年 托马斯 杨 ThomasYoung 完成了著名的杨氏双缝实验 人们可以有计划 有目的地控制干涉现象 第一节光学面形偏差的检测 干涉法 7 历史进程 1818年 阿喇果和菲涅尔发现两个正交的偏振光不能干涉 导致杨和菲涅尔得出光是横波的结论 1860年 麦克斯韦 C Maxwell 的电磁场理论为干涉技术奠定了坚实的理论基础 1881年 迈克尔逊 A Michelson 设计了著名的干涉实验来测量 以太 漂移 导致 以太 说的破灭和相对论的诞生 他还首次用干涉仪以镉红谱线与国际米原器作比对 导致后来用光波长定义 米 1900年 普朗克 MaxPlanck 提出辐射的量子理论 成为近代物理学的起点 干涉法 第一节光学面形偏差的检测 8 历史进程 1905年 爱因斯坦 AlbertEinstein 提出相对论原理 1924年 LouisdeBroglie推导出deBroglie波方程 认为所有的运动粒子都具有相应的波长 为隧道显微镜 原子力显微镜的诞生做了理论准备 1960年 梅曼 Maiman 研制成功第一台红宝石激光器 以及微电子技术和计算机技术的飞速发展 使光学干涉技术的发展进入了快速增长时期 1982年 G Binning和H Rohrer研制成功扫描隧道显微镜 1986年发明原子力显微镜 从此开始了干涉技术向纳米 亚纳米分辨率和准确度前进的新时代 第一节光学面形偏差的检测 干涉法 9 特点 具有更高的测试灵敏度和准确度 绝大部分的干涉测试都是非接触式的 不会对被测件带来表面损伤和附加误差 较大的量程范围 抗干扰能力强 操作方便 在精密测量 精密加工和实时测控的诸多领域获得广泛应用 第一节光学面形偏差的检测 干涉法 10 分类 干涉法 第一节光学面形偏差的检测 11 1 干涉的概念1 相干光 1 频率相同 2 位相差恒定 3 光矢量振动方向相同 4 光程差小于波列长度因此 必须用单色光源 使同一光源发出的光束分成两束 且光程差不能太大 钠光 激光几十米 第一节光学面形偏差的检测 干涉法 12 影响干涉条纹对比度的因素干涉条纹对比度可定义为 式中 Imax Imin分别为静态干涉场中光强的最大值和最小值 也可以理解为动态干涉场中某点的光强最大值和最小值 当Imin 0时K 1 对比度有最大值 而当Imax Imin时K 0 条纹消失 在实际应用中 对比度一般都小于1 对目视干涉仪可以认为 当K 0 75时 对比度就算是好的 而当K 0 5时 可以算是满意的 当K 0 1时 条纹尚可辨认 但是已经相当困难的了 对动态干涉测试系统 对条纹对比度的要求就比较低 第一节光学面形偏差的检测 干涉法 13 由此得最大干涉级m 与此相应的尚能产生干涉条纹的两支相干光的最大光程差 或称光源的相干长度 为 4 1激光干涉测试技术基础 1 2影响干涉条纹对比度的因素 光源的单色性与时间相干性如图 干涉场中实际见到的条纹是 到 中间所有波长的光干涉条纹叠加的结果 当 的第m级亮纹与 的第m 1级亮纹重合后 所有亮纹开始重合 而在此之前则是彼此分开的 则尚能分辨干涉条纹的限度为 在波动光学中 把光通过相干长度所需要的时间称为相干时间 其实质就是可以产生干涉的波列持续时间 其对应产生干涉的两列波的光程差 因此 激光光源的时间相干性比普通光源好得多 一般在激光干涉仪的设计和使用时不用考虑其时间相干性 第一节光学面形偏差的检测 干涉法 14 影响干涉条纹对比度的因素 光源大小与空间相干性干涉图样的照度 在很大程度上取决于光源的尺寸 而光源的尺寸大小又会对各类干涉图样对比度有不同的影响 由平行平板产生的等倾干涉 无论多么宽的光源尺寸 其干涉图样都有很好的对比度 杨氏干涉实验只在限制狭缝宽度的情况下 才能看清干涉图样 由楔形板产生的等厚干涉图样 则是介于以上两种情况之间 如取对比度为0 9 可得光源的许可半径 在干涉测量中 采取尽量减小光源尺寸的措施 固然可以提高条纹的对比度 但干涉场的亮度也随之减弱 当采用激光作为光源时 因为光源上各点所发出的光束之间有固定的相位关系 形成的干涉条纹也有固定的分布 而与光源的尺寸无关 激光光源的大小不受限制 激光的空间相干性比普通光源好得多 第一节光学面形偏差的检测 干涉法 15 影响干涉条纹对比度的因素 相干光束光强不等和杂散光的影响设两支相干光的光强为I2 nI1 则有 可见 没有必要追求两支相干光束的光强严格相等 尤其在其中一支光束光强很小的情况下 人为降低另一支光束的光强 甚至是有害的 因为这会导致不适当地降低干涉图样的照度 从而提升了人眼的对比度灵敏阈值 不利于目视观测 非期望的杂散光进入干涉场 会严重影响条纹对比度 设混入两支干涉光路中杂散光的强度均为 则 于是 第一节光学面形偏差的检测 干涉法 16 4 1激光干涉测试技术基础 影响干涉条纹对比度的因素 相干光束光强不等和杂散光的影响当n 1时 有 在干涉仪中各光学零件的每个界面上都产生光的反射和折射 其中非期望的杂散光线 能以多种可能的路径进入干涉场 尤其是在用激光作光源的干涉测量中 由于激光具有极好的空间相干性 使系统中存在的杂散光很容易形成寄生条纹 解决杂散光的主要技术措施有 光学零件表面正确镀增透膜 适当设置针孔光阑 正确选择分束器 其中尤以第三点为问题的关键 比较式可见 在两支光强比n较小时 杂散光对条纹对比度的影响远比两支干涉光的光强不相等的影响要严重得多 第一节光学面形偏差的检测 干涉法 17 4 1激光干涉测试技术基础 影响干涉条纹对比度的因素小结 对于所有类型的干涉仪 干涉条纹图样对比度降低的普遍原因是 光源的时间相干性 光源的空间相干性 相干光束的光强不等 杂散光的存在 各光束的偏振状态差异 振动 空气扰动 干涉仪结构的刚性不足等 第一节光学面形偏差的检测 干涉法 18 4 1激光干涉测试技术基础 共程干涉和非共程干涉在普通干涉仪中 由于参考光束和测试光束沿着分开的光路行进 故这两束光受机械振动和温度起伏等外界条件的影响是不同的 因此 在干涉测量过程中 必须严格限定测量条件 采取适当的保护措施 否则干涉场上的干涉条纹是不稳定的 因而不能进行精确的测量 这类干涉仪 称为非共程干涉仪 若参考光路和测试光路经过同一光路 这类干涉仪称为共程干涉仪 其共程干涉仪大致可分为共程干涉仪常常借助于部分散射面 双折射晶体 半反射面或衍射实现分束 特点 抗环境干扰 在产生参考光束时 通常不需要尺寸等于或大于被测光学系统通光口径的光学标准件 在视场中心两支光束的光程差一般为零 因此可以使用白光光源 使参考光束只通过被检光学系统的小部分区域 因而不受系统像差的影响 当此参考光束和经过该光学系统全孔径的检验光束相干时 就可直观地获得系统的缺陷信息 如散射板干涉仪 点衍射干涉仪等 大多数的共程干涉仪中 参考光束和测试光束都受像差的影响 干涉是由一支光束相对于另一支光束错位产生的 这时 得到的信息不是直观的 需要作某些计算才能确定被测波面形状 如各种类型的剪切干涉仪 第一节光学面形偏差的检测 干涉法 19 2 平板干涉 第一节光学面形偏差的检测 干涉法 20 考虑半波损失 干涉法 第一节光学面形偏差的检测 i不变h变等厚干涉 i变h不变等倾干涉 21 2 等厚干涉法1 菲索干涉仪原理 当i 0时 干涉法 第一节光学面形偏差的检测 22 3 1 1裴索平面干涉仪检测面形偏差 第一节光学面形偏差的检测 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 23 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 24 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 25 影响测试准确度的因素1 光源大小和空间相干性 激光斐索型平面干涉仪的基本光路和原理 计算例 若h 5mm 546 1nm 则 17 若取f 500mm 则d 5mm 2 光源的单色性和时间相干性 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 26 影响测试准确度的因素3 杂散光的影响 平行光在标准参考平板的上表面和被测件的下表面都会反射一部分光而形成非期望的杂散光 由于激光的相干性能非常好 这些杂散光叠加到干涉场上会产生寄生条纹和背景光 影响条纹的对比度 消除该杂散光的主要措施是 将标准参考平板做成楔形板 以使标准平板上表面反射回来的光线不能进入干涉场 同样 将被测件做成楔形板或在它的背面涂抹油脂 也能消除或减小被测件下表面产生的杂散光影响 整个系统的所有光学面上均应镀增透膜 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 27 影响测试准确度的因素4 标准参考平板的影响 标准参考平板参考面M1在干涉仪中是作为测量基准用的 主要要求是 面形误差小 口径必须大于被测件 当标准平板口径大于200mm时 其加工和检验都很困难 为了保证参考平面面形精度 严格控制加工过程 材料的线膨胀系数较小 残余应力很小 安装时使之不产生装夹应力 在高质量平面 如标准参考平面 的面形测量中 可以考虑用液体的表面作为参考平面 此时被测平面M2朝下对液体表面 地球的曲率半径约为6370km 当液面口径为1000mm时 液面中心才高出约0 1光圈 当口径为250mm时 液面才高出约0 005光圈 主要要求 使液体处于静止状态 对测量环境要求严格控制 还应该选用粘度较大 本身比较均匀和清洁的液体 常常用作标准参考平面的液体有液态石蜡 扩散泵油 精密仪表油和水银等 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 28 测平面面形光程差变化 h 2看条纹的弯曲和不规则判断面形误差 减小空气层厚度看条纹移动判断凸凹性质 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 29 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 30 第一节光学面形偏差的检测 31 第一节光学面形偏差的检测 32 第一节光学面形偏差的检测 33 第一节光学面形偏差的检测 34 第一节光学面形偏差的检测 35 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 36 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 37 精度分析 1 标准平面的误差口径大于200mm时加工和检验困难 精度大于二十分之一波长用液面作基准面地球半径6400KM液面口径500mm时液面平面度误差为百分之一波长 2 准直物镜的像差出射光不是平行光以角象差 表示形成干涉条纹的光程差附加了一个 2h的光程差 若精度要求 100 h 50mm求得 1 设计这样的物镜不难 3 条纹的判读引起的误差 3 20或 30总的测量标准偏差测量曲率半径测出b范围内干涉条纹数m 若得最小半径为41m 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 38 测量曲率半径测出b范围内干涉条纹数m 若得最小半径为41m 以m 1代入得最大可测半径4267m 误差分析主要取决于 m约为1 10 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 39 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 40 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 41 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 42 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 43 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 44 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 45 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 46 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 47 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 48 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 49 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 50 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 51 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 52 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 53 4 1激光干涉测试技术基础 1 4干涉条纹的分析与波面恢复在静态干涉系统中 干涉测量的关键是获得清晰稳定的干涉条纹图样 然后对其进行分析 处理和判读计算 以获得有关的被测量的信息 波面偏差的表示波面偏差为 n是干涉仪的通道数 光速通过样品次数 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 54 4 1激光干涉测试技术基础 1 4干涉条纹的分析与波面恢复 波面偏差的表示波面偏差的指标 1 峰谷偏差EPV 被测波面相对于参考波面峰值与谷值之差 2 最大偏差Emax 被测波面与参考波面的最大偏差值 3 均方根偏差ERMS 被测波面相对于参考波面的各点偏差值的均方根值 可由下式表示 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 55 第一节光学面形偏差的检测 干涉条纹的分析与波面恢复 被测波面的恢复要正确求出被测波面的轮廓 首先要判断干涉条纹图的零级条纹位置和被测波面相对于标准波面的凸凹情况 1 零级条纹的判断 使产生干涉的两波面间的光程差减小 则条纹移动的方向是离开零级条纹的方向 反之 则干涉条纹朝着零级条纹的方向移动 菲索平面干涉仪 56 4 1激光干涉测试技术基础 1 4干涉条纹的分析与波面恢复 被测波面的恢复2 凸凹面的判断 如果移动W2 减小波面W1与W2间的光程差 条纹移动的方向与弯曲方向相同 则被测表面为凸起的 工厂通称为 高光圈 反之 则被测表面为凹陷的 工厂通称为 低光圈 凸起高光圈 减小程差 移动 弯曲同向 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 57 干涉条纹的分析与波面恢复3 求被测波面轮廓 若采用图解法求旋转对称波面与倾斜平面波相干涉得到的干涉图样 只需求出通过干涉图中心与平面波倾斜方向相同的截面上的波面轮廓就可以了 其步骤如下 首先在干涉图上作截面AB 然后确定干涉条纹零级的位置 如本例中零级条纹在干涉图左边 且干涉级从左往右递增 在干涉图的上 下 方作若干条等间距的与截面AB相平行的直线 相邻两平行线间距表示光程差为 n为干涉仪的通道数 的变化量 将干涉条纹与截面AB相交的各点垂直引直线到平行线上 从左至右依次到与各对应平行线相交 然后把这些点连成曲线 为了得到真实的波面轮廓 把倾斜因子减去 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 58 提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理 光学倍频技术分辨力 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 59 提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理 光学相位细分技术提高干涉仪分辨力 还可利用干涉条纹的相位细分技术 可以把干涉条纹每变化一个级次 看作相位变化了360 从一个干涉条纹变化中得到多个计数脉冲的技术称为相位细分技术 相位细分的方法有机械相位细分 阶梯板相位细分 翼形板相位细分 金属膜相位细分和分偏振法相位细分等 例 机械法相位细分 产生90 相移信号的最简单方法是倾斜参考镜M1 当参考镜倾斜一定角度时 调节两光电接收器D1和D2间隔为条纹中心距离的1 4便可获得相移90 的两个输出信号 但这种方法容易因反射镜的稍微失调而改变条纹间隔 使输出信号的位相关系发生变化 引起计数误差 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 60 提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理 处理电路细分方法电路细分方法有多种 如四细分辨向 计算机软件细分 鉴相法细分等 综合来看 鉴相法细分的不确定度最小 使用灵活 方便 集成度高 适合于激光干涉信号的细分 其输出的是模拟信号 分辨率高达2 1000 但是鉴相范围较小 2 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 61 提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理 干涉条纹计数与判向 第一节光学面形偏差的检测 菲索平面干涉仪 62 菲索平面干涉仪 提高分辨力的方法和干涉条纹的信号处理 干涉条纹计数与判向 当cos信号超前时 设为正向 脉冲信号的顺序为1 3 2 4 当cos信号滞后时 应为反向 脉冲信号的顺序为1 4 2 3 第一节光学面形偏差的检测 63 斐索型球面干涉仪激光斐索型球面干涉仪基本原理 注意 为了获得需要的干涉条纹 必须仔细调整被测球面 使被测球面的球心C与C0精确重合 第一节光学面形偏差的检测 菲索球面干涉仪 64 第一节光学面形偏差的检测 65 菲索球面干涉仪 斐索型球面干涉仪 激光斐索型球面干涉仪用于测量球面面形误差如果干涉场中得到等间距的直条纹 表明没有面形误差 若条纹出现椭圆形或局部弯曲 则按前述方法予以判读 第一节光学面形偏差的检测 Or与Ot重合时 干涉场亮度呈现均匀一片 Or与Ot有一轴向偏移量时 产生圆环状条纹 Or与Ot有一垂轴偏移量时 得到一组近似等间隔平行直条纹 各种情况合成 如 合成 得到圆弧状干涉条纹 66 检测方法 1 球面局部偏差 带区误差的检测 1 对于待检凹球面 如果边翘中心凹 当待检面远离标准面方向移动时 曲率中心将依次按着边缘带 中间带 中心区域的曲率中心依次走过标准球面的球心 2 对于待检凸面由干涉条纹的变化判别面形的结论与凹面一致 只是各带区的曲率半径大小与凹球面相反 2 曲率半径的测定1 无面形偏差时的曲率半径测定首先当待检面球心与标准面球心重合时 记录下待检面球心位置玻璃尺读数 第一种情况是标准面曲率半径较短 且其球心位于玻璃尺量程内 让待检面顶点与标准面球心重合 记录下读数 两位置读数之差即为曲率半径 第一节光学面形偏差的检测 菲索球面干涉仪 67 第二种情况是标准面曲率半径较大或者标准面为凸面 将待检面顶点与标准面顶点重合 记录位置读数 R0为标准面的曲率半径 则R凸 R0 R0 R凸 R凹 R0 R凹 R0 2 存在面形偏差时的曲率半径测定通过视场中心的直线与实际干涉条纹相切在何处判别3 曲率半径偏差 R与光圈数N的关系 菲索球面干涉仪 第一节光学面形偏差的检测 68 菲索球面干涉仪 激光斐索型球面干涉仪用于测量曲率半径原理 移动距离 通常干涉仪备有一套具有不同曲率半径参考球面的标准半径物镜组 但当被测球面的曲率半径太大 超出仪器测长机构的量程时 可采用图示方法 第一节光学面形偏差的检测 69 第一节光学面形偏差的检测 70 刀口阴影法 FoucaultTest 是1858年由傅科 Foucoult 提出的 所以又称为傅科刀口法 当时是用于天文望远镜的大口径反射镜的检验 至今已有一百多年历史 用于测量光学零件表面的面形偏差和光学系统的波像差 通过波像差和几何像差的转换关系 也可测量光学系统的几何像差 优点 设备简单 非接触检验方法 有极高的直观灵敏度 实践表明 在一般观察条件下 观察者不难发现 20的波面局部误差和带区误差 但这是指垂直刀刃方向的灵敏度 平行刀刃方向的灵敏度为零 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 71 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 72 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 73 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 74 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 75 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 76 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 77 刀口阴影法 第一节光学面形偏差的检测 1 刀口阴影法基本原理 1 1理想球面波的阴影图及其变化规律对于理想球面 所有光线都会聚于球心O 如果观察者的眼睛位于球心O点附近 使所有会聚光线进入眼睛 可以看到一个均匀明亮的视场 其范围由被测件边缘所限制 当刀口自右向左移动切割光束时 当刀口正好位于光束会聚点O处 位置N2 本来是均匀照亮的视场变暗了一些 但是亮度仍然是均匀的 阴影图M2 当刀口位于光束交点的前面 图中N1处 暗区从右向左扩展 阴影图M1 当刀口位于光束交点O之后 图中N3处 暗区从左向右扩展 阴影图M3 图示 78 理想球面波的阴影图及其变化规律刀口与光束会聚点的相对位置以及刀口横向移动时阴影图的变化可以概括为三个判断准则阴影与刀口同方向移动 则刀口位于光束会聚点之前 如果这是局部区域的阴影图 则相对于刀口为中心的球面波而言 该区域是凸起的 阴影与刀口反方向移动 则刀口位于光束会聚点之后 如果这是局部区域的阴影图 则相对于刀口为中心的球面波而言 该区域是凹陷的 阴影图某部位 全现场或局部 呈现均匀的半暗状态 则刀口正好位在该区域光束的交点处 刀口阴影法 第一节光学面形偏差的检测 79 1 2刀口仪的光路和结构用阴影法观察波面误差 光路的安排有自准直和非自准直两种 自准直和非自准直光路所看到的阴影图基本相同 但进行定量检验时必须考虑到自准直光路光光线两次通过被测系统 因此波面误差加倍 图示为自准直刀口仪镜管的光路图 第一节光学面形偏差的检测 80 第一节光学面形偏差的检测 81 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 82 二 测量装置及方法汽车灯泡1发出的光束经聚光镜2 3 再经带有刀口的反射镜5反射而聚焦在星孔4上 星孔板6上有数个直径不同的星孔和两个宽度不同的狭缝 从星孔发出的光束射向被测凹球面7 倾斜调节球面和纵向移动刀口仪 使从球面反射回来的星点像成在刀口的附近 横向移动刀口仪 用刀口切割星点像 刀口仪 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 83 1 2刀口仪的光路和结构仪器的调整步骤 1 出射光束的调整 要求出射光束在相对孔径为1 2的被检系统整个入瞳面上造成均匀的照度 2 光阑的选择 被检系统的实际波面具有轴对称性时 选用狭缝较有利 否则选用小孔较为有利 根据被检系统相对孔径大小和反射回来的光束的强弱来选用小孔的直径和狭缝的宽度 相对孔径小而反射光弱的 应选直径大的小孔或宽的狭缝 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 84 刀口仪的光路和结构仪器的调整步骤 3 调节刀口的两个移动方向 使一个方向与被检系统的光轴方向一致 另一方向与光轴垂直 4 保持一定的环境条件 仪器应放在牢固稳定的工作台上 光路中应保持空气高度均匀 房间要黑暗或半暗 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 85 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 86 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 87 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 88 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 89 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 90 刀口阴影法 一 测量原理R SO HO R R L HO HA BO ABC HH O H H B 第一节光学面形偏差的检测 91 计算波差和几何像差的关系即 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 92 三 测量误差分析A米尺误差 L 0 5 1 mmB调焦误差例 D 130mm R 1300mm可见调焦误差很小不是主要矛盾精度 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 93 四 优缺点 1 优点 非接触测量 可测大曲率半径 可同时测面形误差 2 缺点 被测面必须抛光 只能测凹面环境暗振动小 五 测面形精度 20自准 40检测球面平面 非球面面形偏差 大口径光学面抛修的工艺检验 检测凹球面镜的面形偏差1 检测原理 1 理想的会聚球面波判别准则 阴影移动与刀口切入方向相同 刀口位于光束会聚点之前 阴影移动与刀口切入方向相反 刀口位于光束会聚点之后 阴影图呈现均匀的半暗状态 刀口刚好切至光束会聚点处 2 若待检面存在局部偏差和带区误差 待检面存在的局部偏差很容易从阴影图中发现 当刀口刚好切至波面会聚点时 则在半暗背景中出现局部偏差的轮廓M 若M中的阴影移动方向与刀口切入方向相同 则M较波面其它部分是凸起的 反之 M是相对凹下的 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 94 如待检面的面形存在带区误差 为使阴影图反映出的波面形状与实际波面最接近 也就是说能将各环带的波差都反应出来 在刀口切至光轴的同时 应仔细地轴向移动刀口 直至呈现出最复杂的阴影图止 如图所示 2 检测方法1 按检测要求的相对位置放置刀口仪及待检镜 使刀口大致垂直于待检面的光轴 2 依据待检面的孔径 半径以及波差对称与否 合理选择星孔大小或狭缝宽度 并将星孔S射出的光束调均匀 沿轴向移动刀口 由刃口处的纸屏拦得的光斑逐渐变小 并达到清晰 此时 象S 已位于刃口处 3 再随着刃口的切入而仔细地调刀口轴向位置 使观察到的阴影图最复杂 刀口刚好切到最佳象点处 由此判别待检面的面形偏差的性质 程度和范围 图刀口切于最佳会聚点处的阴影图1 最佳会聚点2 最接近波面 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 95 3 检测灵敏度刀口偏离球心AR 而使阴影图产生的亮度对比度 刚好等于人眼的对比度灵敏度时 人眼仍将看到 平面影像 的阴影图 此时 以O为球心的波面AB相对以O 为球心的参考波面A B 有一波差 故用 R或S表示刀口阴影检测的灵敏度 用狭缝光源 狭缝宽为b 人眼对比灵敏度K取5 时 刀口阴影检测灵敏度分别表示为当人眼判别亮度差的极限对比灵敏度K取2 时 算得相应的极限灵敏度分别表示为用星孔光源 星孔半径为r K取5 时刀口阴影检测灵敏度分别为 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 96 同样若K取2 可算得刀口阴影检测的极限灵敏度分别为灵敏度与光源大小及光源形状选择有关 自准直光路的 检测灵敏度可达几十分之一波长的量级 对非自准直光路的其检测灵敏度要降低一半 当光源过小时 随着衍射效应增强 阴影图亮度的降低以及定值的增大 检测灵敏度反而要降低 故选择光源尺寸时要恰到好处 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 97 二 检测平面镜的面形偏差 RITCHEY COMMONTEST 刀口阴影法检平面镜 须有一块局部偏差与象散均很小的标准凹球面反射镜作为辅助工具 共同组成一自准直检测光路 如图所示 其D R值一般1 8 1 11 待检平面尽量靠近镜M M的光轴与平面镜法线夹角 大致成45 角 刀口放在镜面M的球心附近 L为刀口到平面镜中点G的距离 若待检面是完好的平面 当刀口切至其球心时 可看到视场瞬间变半暗状态 如待检平面存在带区误差或局部偏差 则会在半暗阴影图中相应部位上出现亮暗不均匀的阴影 由于检测时光线在平面上斜反射两次 故检局部偏差的精度提高近一倍 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 98 若待检平面是个曲率半径较大的球面 则光源S对该球面相当是轴外物点 自准回来的波面将是个象散波面 并在刀口附近形成相应的子午焦线 垂直图面 和弧天焦线 图面内 检验时 将刃口平行图面放置 刀口自右向左切割光束 同时轴向调节刀口仪位置 若见到视场瞬间全部呈半暗 则表明刀口刚好切到子午焦线处 记下刀口仪的轴向位置读数 然后将刃口转至与图面平行 自上而下切割光束 并轴向移动刀口 又可找到视场瞬间全部呈半暗的位置 这表明刀口刚好切到弧矢焦线处 在刀口仪上再次读得一轴向位置读数 两读数之差即为象散Yo 其大小反映了待检平面的凸凹程度 其正负反映了待检面的凸凹特性 如子午焦线靠近待检面一边 则待检面是微凹的平面 反之 弧矢焦线靠近待检面一边 则待检面是微凸的平面 X0值与待检平面实际存在的凸凹量 即矢高h 关系为式中D0 待检平面的通光口径实际工作中 除了检测低精度的大平面用上式计算外 一般都是直接将待检面修到子午焦线与弧矢焦线重合 即xo o为止 此时相应的光圈小于0 2 最小焦距 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 99 刀口阴影法检测非球面面形误差用阴影法检测非球面面形误差时 可以有无像差点法和补偿法两种 如在无像差点刀口阴影法中 利用二次曲面中存在的一对无像差共轭点这一特性可设计出各种刀口阴影法的检测方案 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 100 三 检验非球面面形偏差如图1 检凹椭球面2 检凸双曲面3 检测凹抛物面 将射向刀口仪的待检波面作为球波面干涉仪或泰曼干涉仪的测试波面 即可实现干涉法检测非球面 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 101 刀口阴影法检测非球面面形误差2 抛物面 对抛物面来说 它的焦点是一个无像差点 而另一个无像差点在无穷远 所以要想利用抛物面的两个无像差点来进行直接检测是有困难的 为了检测抛物面的面形误差 必须添加一个标准平面反射镜作为辅助镜 如图所示 光源S及刀口均放在抛物面的焦点F处 由于加入光路中的是标准平面镜 因此从阴影图中看到的缺陷就是抛物面的面形误差 第一节光学面形偏差的检测 刀口阴影法 第二节球面曲率半径的测量 第三章光学零部件的基本测量 光学测量 103 第二节球面曲率半径的测量 概述通过光圈检验球面面形基准样板工作样板零件样板根据不同要求分为A B两级基准样板通过测曲率半径检验2mm R 35mm用玻璃球在立式测长仪上测量机械法 5mm R 1200mm用圆环球经仪37 5 5500 03 550 37 50 06 阴影法 1000mm R 几十米刀口仪0 05 自准直法 R 几十米 自准直望远镜 10 103m1 0 2 10 R 500mm 自准直显微镜 凸0 25mm凹0 500mm 0 002 干涉法 万分之几 长曲率0 3 1 104 第二节球面曲率半径的测量 Newton sRings 105 机械法 一 测量原理R2 r2 R h 2为为防止磨损坏口上放三个钢球 第二节球面曲率半径的测量 106 二 测量方法和装置 1 装置圆环球径仪 Spherometer 2 方法 1 样板 A平板玻璃放在还口上读取a1B球面放在还口上读取a2C计算h a2 a1 机械法 第二节球面曲率半径的测量 107 2 标准样板 A凸面放在环口上读取a1B凹面放在环口上读取a2C计算2h a2 a1 机械法 第二节球面曲率半径的测量 108 3 测量分析 由下列影响因素 刻尺误差经修正可达 阿基米德螺旋线测微目镜误差 机械法 第二节球面曲率半径的测量 109 显微镜对准误差 不同重量引起的测量环变形精度37 5 5500 03 550 37 50 06 4 环扣选择另 机械法 第二节球面曲率半径的测量 110 f1 K f2 K 在定义域内为单调函数有端值 K取0 75较合适 5 优缺优点 精度高 测量范围宽 零件不用抛光 操作方便缺点 磨损 机械法 第二节球面曲率半径的测量 111 机械法 第二节球面曲率半径的测量 112 自准直法 一 准直望远镜法 AutostigmaticMeasurement 1 测量原理 当 第二节球面曲率半径的测量 113 2 测量装置及方法 1 装置 带有伸缩筒的自准直望远镜2 方法A用平面反射镜自准读取a1B用被测球面自准读取a2C计算3 误差分析 自准直法 第二节球面曲率半径的测量 114 实际上用分析其中主要有三个因素决定 1 纵向调焦误差调焦误差自准时 自准直法 第二节球面曲率半径的测量 115 调焦两次 2 平面镜的面形误差修正凹面取正 凸面取负 3 伸缩筒格值误差 自准直法 第二节球面曲率半径的测量 116 例 用自准直望远镜测一透镜曲率半径已知D 50mmD f 1 10 20X平面镜口径D 60mm N 0 2 在50mm范围内 测得x 5mm 1mm 25mm解 取清晰度法 自准直法 第二节球面曲率半径的测量 117 若X 5mm 若X 1mm 自准直法 第二节球面曲率半径的测量 118 若X 25mm 若d 200mm4 优缺点 1 优点 可测大曲率半径 非接触测量 设备简单 2 缺点 精度低 0 2 10 只适用于大曲率半径 被测零件要抛光 自准直法 第二节球面曲率半径的测量 119 自准直法 第二节球面曲率半径的测量 120 自准直法 第二节球面曲率半径的测量 121 二 准直显微镜法1 测量原理 自准直法 第二节球面曲率半径的测量 122 2 测量方法和装置 1 装置 光学球径仪 2 方法 自准直显微物镜可换A显微镜的准球心看到自准反射象记下读数a1B显微镜的准球面看到自准反射象记下读数a2C计算R a2 a1 x03 误差分析A夹持器座定位误差 1 3 0 mB刻尺刻线误差 2 0 5 mC投影读数器误差 3 0 5 mD显微镜两次调焦 清晰度法 的标准偏差例 用光学球径仪测曲率半径 已知 求调焦误差 自准直法 第二节球面曲率半径的测量 123 可见提高和可提高测量精度但1 大 NA大 工作距小 凸面测量受限2 零件口径D R小时 NA不能充分利用 达不到提高精度的目的 反而会因为放大率大 光束孔径小 使视场暗 降低调焦精度 3 优缺点 优点 非接触测量表面不会磨损 可测小曲率半径 精度高 0 001 0 002 缺点 表面必须抛光 测量范围小 凸大于25mm凹小于500mm 仪器调整复杂 自准直法 第二节球面曲率半径的测量 124 曲率半径和面形测量其他方法 125 SphericalWaveMultipleBeamInterferometry SWIM 曲率半径和面形测量其他方法 126 曲率半径和面形测量其他方法 127 曲率半径和面形测量其他方法 128 ScatterplateInterferometer 曲率半径和面形测量其他方法 129 曲率半径和面形测量其他方法 130 曲率半径和面形测量其他方法 131 曲率半径和面形测量其他方法 132 曲率半径和面形测量其他方法 133 曲率半径和面形测量其他方法 134 曲率半径和面形测量其他方法 135 曲率半径和面形测量其他方法 136 曲率半径和面形测量其他方法 137 曲率半径和面形测量其他方法 138 曲率半径和面形测量其他方法 139 曲率半径和面形测量其他方法 140 曲率半径和面形测量其他方法 141 曲率半径和面形测量其他方法 142 曲率半径和面形测量其他方法 143 曲率半径和面形测量其他方法 144 曲率半径和面形测量其他方法 145 曲率半径和面形测量其他方法 146 曲率半径和面形测量其他方法 147 曲率半径和面形测量其他方法 148 曲率半径和面形测量其他方法 149 曲率半径和面形测量其他方法 150 曲率半径和面形测量其他方法 151 曲率半径和面形测量其他方法 152 曲率半径和面形测量其他方法 第三节平板玻璃平行差测量 第三章光学零部件的基本测量 光学测量 154 第三节平板玻璃平行差测量 光学系统分两大类共轴球面系统coaxialsphericalsystemA 球面B 非球面平面镜棱镜系统planemirror prismsystem平面反射镜 平行玻璃板 光楔 棱镜 反射棱镜 折射棱镜 155 MirrorsWindowsPrismsCornerCubesDiffractionGratingsIndexinhomogeneity 第三节平板玻璃平行差测量 156 平行玻璃板平行差测量 光楔的楔角测量 measurementofdifferentofplaneparallel 平行玻璃板主要做 保护玻璃滤光片 分划板等平行差 主要由色散给定 有时也考虑光轴偏 如航测相机的保护玻璃和滤光片 nF nC n 1 第三节平板玻璃平行差测量 157 一 自准直法事先将工作台反射面自准1 测量原理 1 当平行玻璃口径小于测角物镜口径时 经工作台上平面反射镜自准 成像在视场中心光线I经平板玻璃上表面反射 方向如光线II I II间夹角为2 光线I经平板玻璃上表面折射后 又由下表面反射 最后经上表面折射 方向为III 第三节平板玻璃平行差测量 自准直法 158 第三节平板玻璃平行差测量 自准直法 159 当I很小时 由图知 第三节平板玻璃平行差测量 自准直法 160 取n 1 5则 之间夹角 之间夹角 之间夹角2 被测件口径大于测角仪望远镜口径 只能看到II III象 第三节平板玻璃平行差测量 自准直法 161 讨论当第一面垂直于光轴时 第三节平板玻璃平行差测量 自准直法 162 2 测量装置和测量方法1 装置比较测角仪 自准直望远镜加测量机构以杭州产Gxy型光学比较测角仪为例 实际分划板每小格对应物方视场角为30 读数时取15 故计算 时 第三节平板玻璃平行差测量 自准直法 163 第三节平板玻璃平行差测量 自准直法 164 2 测量方法 1 使承物台上平面反射镜垂直于测角仪光轴 自准 2 放上被测件 测出 角 求 3 判断楔角方向在待测检后表面哈气变模糊的象为后表面的反射像该象所在的那端为厚端3 误差分析 1 测平行玻璃板平行差精度 以测量最小平行差 min表示 受人眼鉴别角和仪器鉴别率限制 一般取 1 仪器鉴别率应与人眼鉴别角相匹配 第三节平板玻璃平行差测量 自准直法 165 AB 2 测光楔精度与自准直平行光管对准精度有关 如采自准直测微平行光管 最小格直为0 1 和0 2 e 第三节平板玻璃平行差测量 自准直法 166 误差分析 第三节平板玻璃平行差测量 自准直法 167 例 设注意 由两项构成A分划板刻度误差B对准误差 设则 第三节平板玻璃平行差测量 自准直法 168 1 等厚干涉法1 菲索干涉仪原理 当i 0时 第三节平板玻璃平行差测量 干涉法 令m m2 m1 169 误差分析0 2如用测微目镜测条纹还可更小 0 05 0 1mm若m 1 能测最小角度例 比自准直方法好 可见取决于零件尺寸即受b的限制不受人眼鉴别率限制m 1 即 时无法测根据瑞利极限要求表面制造误差小于 第三节平板玻璃平行差测量 干涉法 170 最大可测角 厚度按判定 使局部加热条纹弯曲凸向薄端测平面面形光程差变化 h 2看条纹的弯曲和不规则判断面形误差 减小空气层厚度看条纹移动判断凸凹性质 例如 对直径D 60mm的被测平板玻璃 n 1 5147 632 8nm 当时就测量不出来了 第三节平板玻璃平行差测量 干涉法 171 泰曼干涉仪原理 第三节平板玻璃平行差测量 泰曼干涉仪 172 第三节平板玻璃平行差测量 泰曼干涉仪 173 第三节平板玻璃平行差测量 泰曼干涉仪 174 第三节平板玻璃平行差测量 泰曼干涉仪 175 第三节平板玻璃平行差测量 干涉法测平行平板不平行度 176 干涉法测平行平板不平行度 第三节平板玻璃平行差测量 177 干涉法测平行平板不平行度 第三节平板玻璃平行差测量 178 光束经平板偏转 n 1 由反射镜反射又经过平板偏转2 n 1 则误差分析厚端判断 调节参考反射镜向缩短光程方向移动条纹移动的方向是薄端 干涉法测平行平板不平行度 第三节平板玻璃平行差测量 179 当时看不到干涉条纹调节反射镜旋转 n 1 则在被测平板区域看不到干涉条纹 而在其外部有干涉条纹代入公式可得D 反射镜口径 干涉法测平行平板不平行度 第三节平板玻璃平行差测量 180 检验面形偏差将被测工件代替7根据干涉条纹可判断面形误差例 用氦氖激光器作光源在泰曼干涉仪上检验直径D 100mm D 0 5mm折射率n 1 5147 0 2求1 平板玻璃的平行差及测量误差2 当移动长靠近使参考臂缩短引起条纹向右移动 问如图圆圈部分为薄端还是厚端解 较薄 干涉法测平行平板不平行度 第三节平板玻璃平行差测量 181 3 等倾干涉法1 测量原理当干涉处尺寸很小则 很小可忽略I变化起主要作用上升为主要矛盾 又此为等倾干涉的前提及保证干涉场内有厚度引起的光程差小于四分之一波长 瑞利极限 从而限定了照明区域的宽度如图光阑b限定了照明区域的宽度以保证上述要求 干涉法测平行平板不平行度 第三节平板玻璃平行差测量 182 干涉法测平行平板不平行度 第三节平板玻璃平行差测量 183 转动被测平行玻璃板至某一位置 当平移平行玻璃板时条纹向外扩展 或向里收缩 而沿垂直此方向平移时 条纹无变化 条纹向外扩展 说明由薄变厚 条纹向里收缩 说明由厚变薄中心条纹级数最高 光程差最大 扩展时 中心不断出现新条纹 每出现一个新条纹 说明光程痉变化一个波长 收缩时 中心条纹不断消失 每消失一个条纹 说明光程差也变化一个波长 设出现或消失的中心条纹为m 则3 可测的 min如不出现或消失新条纹 只是条纹的半径变化 说明由厚度变化引起的的光程差变化小于一个波长 干涉法测平行平板不平行度 第三节平板玻璃平行差测量 184 条纹对应的角度近似为i 设视场内条纹对应半径为r则设h2 h1 h 但平移平行玻璃板时厚度变化 h条纹半径r1 r2 则将展成级数并略去二次以上项得 干涉法测平行平板不平行度 第三节平板玻璃平行差测量 185 所以由折射定律又知代入得测的R2 R1可求得 的测量比等厚干涉小 因为等倾干涉只照明零件的一小部分 不受仪器口径限制只要零件尺寸足够大可测小角度 且厚度差引起的光程差小于一个波长也可以测 干涉法测平行平板不平行度 第三节平板玻璃平行差测量 186 4 激光点光源干涉法原理 nD d nD 2d nD d s s D nD D d 2d n nD 2d n D 2d n S1 S2 S2 干涉法测平行平板不平行度 第三节平板玻璃平行差测量 187 188 条纹中心对应的方向为厚端 干涉法测平行平板不平行度 第三节平板玻璃平行差测量 第三节平板玻璃平行差测量 第三章光学零部件的基本测量 光学测量 3 3 2棱镜光学平行差测量 190 3 3 2棱镜光学平行差测量 一 反射棱镜的一些定义1 光轴 opticalaxis thepartofopticalsystem sopticalaxis光学系统光轴通过反射棱镜的部分passreflexprism2 光轴载面 opticalaxissection thesectionisdecidedbyopticalaxisofreflexprism反射棱镜光轴所决定的平面1 入射光轴截面 由棱镜光轴上最初入射的两根折线所决定的平面2 出射光轴截面 由棱镜光轴上最后出射的两根折线所决定的平面3 光轴长度 反射棱镜光轴的几何度Thelengthofopticalaxis thegeometricallengthofopticalaxisofreflexprism 4 光学不平行度 opticalparalleldifference 反射棱镜展成平行玻璃板法 这一平板的平行差 对使用时光轴垂直在入射面入射棱镜 也就是光线反射棱镜的入射面垂直入射 光线在出射前对出射面法线的偏角 191 1 第一光学不平行度 在入射光轴截面方向的光学不平行度分量 2 第二光学不平行度 在垂直入射光轴截面方向的光学不平行度分量 5 棱镜 edgedifference 1 A棱差rA 某一工作面 除屋脊面 和基准棱的夹角 即工作面法线偏离光轴截面的角度 2 C棱差rC 屋脊棱镜屋脊棱偏离光轴截面的角度 原定义 A棱差 具有三个工作面的棱镜 某一指定棱与该棱所对的工作面间夹角 B棱差 具有四个工作面的棱镜 其指定的两个棱在通过两个棱的标准位置的平面上相对的编转角 C棱差 屋脊棱镜的屋脊棱在通过标准位置并垂直于屋脊角平分面的平面朵相对于标准位置的偏转角 3 3 2棱镜光学平行差测量 1