光學零部件的基本測量

1、第三章 光學零部件的基本測量,光學測量,第三章 光學零部件的基本測量,光學測量,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,第三章 光學零部件的基本測量,光學測量,4,1、面形誤差：實際面形與理想面形之間的偏差,2、面形偏差的表示方法（1）以曲率半徑偏差表示（2）局部偏差表示,一、基本概念,二、面形偏差檢驗方法,干涉儀法,,裴索平面干涉儀檢測面形偏差裴索球面干涉儀檢測面形偏差,刀口陰影法檢測面形偏差,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,5,概述：光

2、學干涉測試技術最初在光學零件和光學系統(tǒng)的檢驗中獲得廣泛應用。在光學零件面型、平行度、曲率半徑等的測量中，斐索型干涉測量法與在光學車間廣泛應用的牛頓型干涉測量法（樣板法或牛頓型干涉法）相比，屬于非接觸測量。,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,干涉法,6,,現(xiàn)代干涉技術是物理學理論和當代技術有機結合的產(chǎn)物。激光、光電探測技術和信號處理技術對于干涉技術的發(fā)展起著重要的作用。歷史進程： 17世紀后半葉，玻意耳(Boyle)和胡克(Hooke)獨

3、立地觀察了兩塊玻璃板接觸時出現(xiàn)的彩色條紋（后被稱作牛頓環(huán)），人類從此開始注意到了干涉現(xiàn)象。1690年，惠更斯出版《論光》，提出“波動”說。1704年，牛頓出版《光學》，提出了“微?！闭f。1801年，托馬斯·楊(Thomas Young)完成了著名的楊氏雙縫實驗，人們可以有計劃、有目的地控制干涉現(xiàn)象。,,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,干涉法,7,歷史進程：1818年，阿喇果和菲涅爾發(fā)現(xiàn)兩個正交的偏振光不能干涉，導致楊和

4、菲涅爾得出光是橫波的結論。1860年，麥克斯韋(C.Maxwell)的電磁場理論為干涉技術奠定了堅實的理論基礎。1881年，邁克爾遜(A.Michelson)設計了著名的干涉實驗來測量“以太”漂移，導致“以太”說的破滅和相對論的誕生。他還首次用干涉儀以鎘紅譜線與國際米原器作比對，導致后來用光波長定義“米”。1900年，普朗克（Max Planck）提出輻射的量子理論，成為近代物理學的起點。,,,,,干涉法,第一節(jié) 光學面形偏差的檢

5、測,8,歷史進程：1905年，愛因斯坦（Albert Einstein）提出相對論原理。1924年，Louis de Broglie推導出de Broglie波方程，認為所有的運動粒子都具有相應的波長，為隧道顯微鏡、原子力顯微鏡的誕生做了理論準備。1960年，梅曼(Maiman)研制成功第一臺紅寶石激光器，以及微電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展，使光學干涉技術的發(fā)展進入了快速增長時期。1982年，G.Binning和H.Rohre

6、r研制成功掃描隧道顯微鏡，1986年發(fā)明原子力顯微鏡，從此開始了干涉技術向納米、亞納米分辨率和準確度前進的新時代。,,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,干涉法,9,特點：具有更高的測試靈敏度和準確度；絕大部分的干涉測試都是非接觸式的，不會對被測件帶來表面損傷和附加誤差；較大的量程范圍；抗干擾能力強；操作方便；在精密測量、精密加工和實時測控的諸多領域獲得廣泛應用。,,,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,干涉法,10,分類：,,,,

7、,干涉法,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,11,1、干涉的概念1）相干光（1）頻率相同 （2）位相差恒定 （3）光矢量振動方向相同（4）光程差小于波列長度 因此，必須用單色光源，使同一光源發(fā)出的光束分成兩束，且光程差不能太大。鈉光 ，激光 幾十米）,,,,,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,

8、干涉法,12,影響干涉條紋對比度的因素干涉條紋對比度可定義為,,,,,,,式中，Imax、Imin 分別為靜態(tài)干涉場中光強的最大值和最小值，也可以理解為動態(tài)干涉場中某點的光強最大值和最小值。,,當 Imin = 0時K＝1，對比度有最大值；而當 Imax= Imin時K＝0，條紋消失。在實際應用中，對比度一般都小于1。對目視干涉儀可以認為：當K＞0.75時，對比度就算是好的；而當K＞0.5時，可以算是滿意的；當K＝0.1時，條紋尚可

9、辨認，但是已經(jīng)相當困難的了。對動態(tài)干涉測試系統(tǒng)，對條紋對比度的要求就比較低。,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,干涉法,13,由此得最大干涉級m＝λ/Δλ ，與此相應的尚能產(chǎn)生干涉條紋的兩支相干光的最大光程差(或稱光源的相干長度)為,§4-1 激光干涉測試技術基礎,1.2 影響干涉條紋對比度的因素①光源的單色性與時間相干性如圖，干涉場中實際見到的條紋是λ到λ＋Δλ 中間所有波長的光干涉條紋疊加的結果。當λ＋Δ λ 的第

10、m級亮 紋與λ的第m+1級亮紋重 合后，所有亮紋開始重 合，而在此之前則是彼此分開的。則尚能分辨干涉條紋的限度為,,,,,,,,,在波動光學中，把光通過相干長度所需要的時間稱為相干時間，其實質就是可以產(chǎn)生干涉的波列持續(xù)時間，（其對應產(chǎn)生干涉的兩列波的光程差）。因此，激光光源的時間相干性比普通光源好得多，一般在激光干涉儀的設計和使用時不用考慮其時間相干性。,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,干涉法,14,影響干涉條紋對比度的因素②

11、光源大小與空間相干性干涉圖樣的照度，在很大程度上取決于光源的尺寸，而光源的尺寸大小又會對各類干涉圖樣對比度有不同的影響:由平行平板產(chǎn)生的等傾干涉，無論多么寬的光源尺寸，其干涉圖樣都有很好的對比度。楊氏干涉實驗只在限制狹縫寬度的情況下，才能看清干涉圖樣。由楔形板產(chǎn)生的等厚干涉圖樣，則是介于以上兩種情況之間。,,,,,,,,,,如取對比度為0.9，可得光源的許可半徑,在干涉測量中，采取盡量減小光源尺寸的措施，固然可以提高條紋的對比

12、度，但干涉場的亮度也隨之減弱。當采用激光作為光源時，因為光源上各點所發(fā)出的光束之間有固定的相位關系，形成的干涉條紋也有固定的分布，而與光源的尺寸無關。激光光源的大小不受限制，激光的空間相干性比普通光源好得多。,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,干涉法,15,影響干涉條紋對比度的因素③相干光束光強不等和雜散光的影響設兩支相干光的光強為I2=nI1，則有,,,,,,,,,,可見，沒有必要追求兩支相干光束的光強嚴格相等。尤

13、其在其中一支光束光強很小的情況下，人為降低另一支光束的光強，甚至是有害的。因為這會導致不適當?shù)亟档透缮鎴D樣的照度，從而提升了人眼的對比度靈敏閾值，不利于目視觀測。,,,,非期望的雜散光進入干涉場，會嚴重影響條紋對比度。設混入兩支干涉光路中雜散光的強度均為 ，則,,于是,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,干涉法,16,§4-1 激光干涉測試技術基礎,影響干涉條紋對比度的因素③相干光束光強不等和雜散光的

14、影響當n = 1時，有,,,,,,,,,,,,,在干涉儀中各光學零件的每個界面上都產(chǎn)生光的反射和折射，其中非期望的雜散光線，能以多種可能的路徑進入干涉場。尤其是在用激光作光源的干涉測量中，由于激光具有極好的空間相干性，使系統(tǒng)中存在的雜散光很容易形成寄生條紋。解決雜散光的主要技術措施有：①光學零件表面正確鍍增透膜，②適當設置針孔光闌，③正確選擇分束器。其中尤以第三點為問題的關鍵。,,,,比較式可見，在兩支光強比n較小時，雜散光對

15、條紋對比度的影響遠比兩支干涉光的光強不相等的影響要嚴重得多。,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,干涉法,17,§4-1 激光干涉測試技術基礎,影響干涉條紋對比度的因素小結：對于所有類型的干涉儀，干涉條紋圖樣對比度降低的普遍原因是：光源的時間相干性；光源的空間相干性；相干光束的光強不等；雜散光的存在；各光束的偏振狀態(tài)差異；振動、空氣擾動、干涉儀結構的剛性不足等。,,,,,,,,,,,,,,,,第一節(jié) 光學面形偏

16、差的檢測,干涉法,18,§4-1 激光干涉測試技術基礎,共程干涉和非共程干涉在普通干涉儀中，由于參考光束和測試光束沿著分開的光路行進，故這兩束光受機械振動和溫度起伏等外界條件的影響是不同的。因此，在干涉測量過程中，必須嚴格限定測量條件，采取適當?shù)谋Ｗo措施，否則干涉場上的干涉條紋是不穩(wěn)定的，因而不能進行精確的測量。這類干涉儀，稱為非共程干涉儀。若參考光路和測試光路經(jīng)過同一光路，這類干涉儀稱為共程干涉儀。其共程干涉儀大致可

17、分為共程干涉儀常常借助于部分散射面、雙折射晶體、半反射面或衍射實現(xiàn)分束。,,,,,,,,,,,,,,,,特點：①抗環(huán)境干擾；②在產(chǎn)生參考光束時，通常不需要尺寸等于或大于被測光學系統(tǒng)通光口徑的光學標準件；③在視場中心兩支光束的光程差一般為零，因此可以使用白光光源。,①使參考光束只通過被檢光學系統(tǒng)的小部分區(qū)域，因而不受系統(tǒng)像差的影響，當此參考光束和經(jīng)過該光學系統(tǒng)全孔徑的檢驗光束相干時，就可直觀地獲得系統(tǒng)的缺陷信息。如

18、散射板干涉儀、點衍射干涉儀等。②大多數(shù)的共程干涉儀中，參考光束和測試光束都受像差的影響，干涉是由一支光束相對于另一支光束錯位產(chǎn)生的。這時，得到的信息不是直觀的，需要作某些計算才能確定被測波面形狀，如各種類型的剪切干涉儀。,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,干涉法,19,2)平板干涉,,,,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,干涉法,,20,考慮半波損失,,,,,,,干涉法,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,i不變h變等厚干涉，i變h不變等

19、傾干涉,21,2、等厚干涉法1）菲索干涉儀原理：當i=0時，,,,,,,,干涉法,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,22,3-1-1裴索平面干涉儀檢測面形偏差,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,23,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,24,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,25,②影響測試準確度的因素1）光源大小和空間相干性,①激光斐索型平面干涉儀的基本光路和原理,,,,,

20、,,,計算例：若h＝5mm，λ＝546.1nm，則θ<17‘。若取f‘＝500mm，則d<5mm。,2）光源的單色性和時間相干性。,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,26,②影響測試準確度的因素 3）雜散光的影響。平行光在標準參考平板的上表面和被測件的下表面都會反射一部分光而形成非期望的雜散光。由于激光的相干性能非常好，這些雜散光疊加到干涉場上會產(chǎn)生寄生條紋和背景光，影響條紋的對比度。消除該雜散光的主

21、要措施是：將標準參考平板做成楔形板，以使標準平板上表面反射回來的光線不能進入干涉場；同樣，將被測件做成楔形板或在它的背面涂抹油脂，也能消除或減小被測件下表面產(chǎn)生的雜散光影響；整個系統(tǒng)的所有光學面上均應鍍增透膜。,,,,,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,27,②影響測試準確度的因素 4）標準參考平板的影響。標準參考平板參考面M1在干涉儀中是作為測量基準用的，主要要求是：面形誤差?。豢趶奖仨毚笥诒粶y件。當標準平板

22、口徑大于200mm時，其加工和檢驗都很困難。為了保證參考平面面形精度：嚴格控制加工過程；材料的線膨脹系數(shù)較小、殘余應力很??；安裝時使之不產(chǎn)生裝夾應力；在高質量平面（如標準參考平面）的面形測量中，可以考慮用液體的表面作為參考平面。,,,,,,,,此時被測平面M2朝下對液體表面。地球的曲率半徑約為6370km，當液面口徑為1000mm時，液面中心才高出約0.1光圈，當口徑為250mm時，液面才高出約0.005光圈。主要要求：使

23、液體處于靜止狀態(tài)（對測量環(huán)境要求嚴格控制，還應該選用粘度較大，本身比較均勻和清潔的液體。）常常用作標準參考平面的液體有液態(tài)石蠟、擴散泵油、精密儀表油和水銀等。,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,28,,測平面面形光程差變化λ，△h=λ/2看條紋的彎曲和不規(guī)則判斷面形誤差，減小空氣層厚度看條紋移動判斷凸凹性質。,,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,29,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,30,,,

24、第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,31,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,32,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,33,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,34,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,35,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,36,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,37,精度分析：1、標準平面的誤差 口徑大于200mm時加工和檢驗困難，精度大于二十分之一波長用液面作基準面地球半徑6400KM液面口徑5

25、00mm時液面平面度誤差為百分之一波長。2、準直物鏡的像差 出射光不是平行光以角象差θ表示形成干涉條紋的光程差附加了一個θ2h的光程差，若精度要求λ/100，h=50mm求得θ<1′設計這樣的物鏡不難。3、條紋的判讀引起的誤差σ3λ/20 或λ/30總的測量標準偏差測量曲率半徑測出b范圍內(nèi)干涉條紋數(shù)m, , , 若

26、 得最小半徑為41m，,,,,,,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,38,測量曲率半徑測出b范圍內(nèi)干涉條紋數(shù)m, , , 若 得最小半徑為41m，,,,,,,,,以m=1代入得最大可測半徑4267m。誤差分析主要取決于σm約為1%~10%,第一節(jié) 光學面形偏差

27、的檢測,菲索平面干涉儀,39,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,40,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,41,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,42,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,43,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,44,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,45,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,46,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,

28、菲索平面干涉儀,47,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,48,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,49,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,50,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,51,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,52,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,53,§4-1 激光干涉測試技術基礎,1.4 干涉條紋的分析與波面恢復在靜態(tài)干涉系統(tǒng)

29、中，干涉測量的關鍵是獲得清晰穩(wěn)定的干涉條紋圖樣，然后對其進行分析、處理和判讀計算，以獲得有關的被測量的信息。①波面偏差的表示波面偏差為,,,,,,,,,,,,,,,,,n 是干涉儀的通道數(shù)（光速通過樣品次數(shù)）,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,54,§4-1 激光干涉測試技術基礎,1.4 干涉條紋的分析與波面恢復①波面偏差的表示波面偏差的指標：1）峰谷偏差EPV 。被測波面相對于參考波面峰值與谷值

30、之差。2）最大偏差Emax。被測波面與參考波面的最大偏差值。3）均方根偏差ERMS。被測波面相對于參考波面的各點偏差值的均方根值，可由下式表示,,,,,,,,,,,,,,,,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,55,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,干涉條紋的分析與波面恢復②被測波面的恢復要正確求出被測波面的輪廓，首先要判斷干涉條紋圖的零級條紋位置和被測波面相對于標準波面的凸凹情況。1）零級條紋的判斷。使產(chǎn)生干涉的兩波

31、面間的光程差減小，則條紋移動的方向是離開零級條紋的方向；反之，則干涉條紋朝著零級條紋的方向移動。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,菲索平面干涉儀,56,§4-1 激光干涉測試技術基礎,1.4 干涉條紋的分析與波面恢復②被測波面的恢復2）凸凹面的判斷。如果移動W2，減小波面W1與W2間的光程差，條紋移動的方向與彎曲方向相同，則被測表面為凸起的(工廠通稱為“高光圈”) ；反之，則被測表面為凹陷的(工廠通稱為“低光

32、圈”) 。,,,,,,,,,,,,,,,,,,凸起高光圈,減小程差,,移動、彎曲同向,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,57,干涉條紋的分析與波面恢復3）求被測波面輪廓。 若采用圖解法求旋轉對稱波面與傾斜平面波相干涉得到的干涉圖樣，只需求出通過干涉圖中心與平面波傾斜方向相同的截面上的波面輪廓就可以了。其步驟如下 ：,,,,,,,,,,,,,,,,,,①首先在干涉圖上作截面AB，然后確定干涉條紋零級的位置。如本例中零級條

33、紋在干涉圖左邊，且干涉級從左往右遞增 。,,,②在干涉圖的上（下）方作若干條等間距的與截面AB相平行的直線，相鄰兩平行線間距表示光程差為 （n為干涉儀的通道數(shù)）的變化量。,③將干涉條紋與截面AB相交的各點垂直引直線到平行線上，從左至右依次到與各對應平行線相交，然后把這些點連成曲線。,④為了得到真實的波面輪廓，把傾斜因子減去。,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,58,提高分辨力的方法和干涉條紋的信號處理①光學倍

34、頻技術 分辨力,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,59,提高分辨力的方法和干涉條紋的信號處理②光學相位細分技術提高干涉儀分辨力，還可利用干涉條紋的相位細分技術?？梢园迅缮鏃l紋每變化一個級次，看作相位變化了360°。從一個干涉條紋變化中得到多個計數(shù)脈沖的技術稱為相位細分技術。相位細分的方法有機械相位細分、階梯板相位細分、翼形板相位細分、金屬膜相位細分和分偏振法相

35、位細分等。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,例：機械法相位細分。產(chǎn)生90°相移信號的最簡單方法是傾斜參考鏡M1。當參考鏡傾斜一定角度時，調節(jié)兩光電接收器D1和D2間隔為條紋中心距離的1/4便可獲得相移90°的兩個輸出信號。 但這種方法容易因反射鏡的稍微失調而改變條紋間隔，使輸出信號的位相關系發(fā)生變化，引起計數(shù)誤差。,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,60,提高分辨力的方法和干涉條紋的信號處理③

36、處理電路細分方法電路細分方法有多種，如四細分辨向、計算機軟件細分、鑒相法細分等。綜合來看，鑒相法細分的不確定度最小，使用靈活、方便、集成度高，適合于激光干涉信號的細分。其輸出的是模擬信號，分辨率高達2π/1000，但是鑒相范圍較小(±2π)。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,61,提高分辨力的方法和干涉條紋的信號處理④ 干涉條紋計數(shù)與判向,,,,,,,,,,,,,,,,

37、,,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索平面干涉儀,62,菲索平面干涉儀,提高分辨力的方法和干涉條紋的信號處理④ 干涉條紋計數(shù)與判向,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,當cos信號超前時（設為正向）：脈沖信號的順序為1、3、2、4，當cos信號滯后時（應為反向）：脈沖信號的順序為1、4、2、3,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,63,,斐索型球面干涉儀激光斐索型球面干涉儀基本原理,,,,,,,,,,,,,注意：為了獲得需要的干

38、涉條紋，必須仔細調整被測球面，使被測球面的球心C與C0精確重合。,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索球面干涉儀,64,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,65,菲索球面干涉儀,斐索型球面干涉儀②激光斐索型球面干涉儀用于測量球面面形誤差如果干涉場中得到等間距的直條紋，表明沒有面形誤差；若條紋出現(xiàn)橢圓形或局部彎曲，則按前述方法予以判讀。,,,,,,,,,,,,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,①Or 與Ot 重合時，干涉場亮度呈現(xiàn)均勻一片

39、②Or 與Ot 有一軸向偏移量時，產(chǎn)生圓環(huán)狀條紋③Or 與Ot 有一垂軸偏移量時，得到一組近似等間隔平行直條紋④各種情況合成，如② ③合成，得到圓弧狀干涉條紋,,,,66,檢測方法：1、球面局部偏差、帶區(qū)誤差的檢測（1）對于待檢凹球面，如果邊翹中心凹；當待檢面遠離標準面方向移動時，曲率中心將依次按著邊緣帶、中間帶、中心區(qū)域的曲率中心依次走過標準球面的球心。（2）對于待檢凸面由干涉條紋的變化判別面形的結論與凹面一致，只

40、是各帶區(qū)的曲率半徑大小與凹球面相反。2、曲率半徑的測定1）無面形偏差時的曲率半徑測定首先當待檢面球心與標準面球心重合時，記錄下待檢面球心位置玻璃尺讀數(shù)。第一種情況是標準面曲率半徑較短，且其球心位于玻璃尺量程內(nèi)；讓待檢面頂點與標準面球心重合，記錄下讀數(shù)，兩位置讀數(shù)之差即為曲率半徑,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,菲索球面干涉儀,67,第二種情況是標準面曲率半徑較大或者標準面為凸面；將待檢面

41、頂點與標準面頂點重合，，記錄位置讀數(shù)。R0為標準面的曲率半徑，則 R凸=R0-(R0-R凸) R凹=R0+(R凹-R0)2)存在面形偏差時的曲率半徑測定 通過視場中心的直線與實際干涉條紋相切在何處判別3）曲率半徑偏差△R與光圈數(shù)N的關系：,,菲索球面干涉儀,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,68,菲索球面干涉儀,,,,,,,,,,,,

42、,,③激光斐索型球面干涉儀用于測量曲率半徑原理：移動距離。通常干涉儀備有一套具有不同曲率半徑參考球面的標準半徑物鏡組。 但當被測球面的曲率半徑太大，超出儀器測長機構的量程時，可采用圖示方法,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,69,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,70,刀口陰影法(Foucault Test)是1858年由傅科（Foucoult）提出的，所以又稱為傅科刀口法。當時是用于天文望遠鏡的大口徑反射鏡的檢驗，至今已有一百多年歷史。

43、用于測量光學零件表面的面形偏差和光學系統(tǒng)的波像差。通過波像差和幾何像差的轉換關系，也可測量光學系統(tǒng)的幾何像差。優(yōu)點：設備簡單；非接觸檢驗方法；有極高的直觀靈敏度。實踐表明，在一般觀察條件下，觀察者不難發(fā)現(xiàn)λ/20的波面局部誤差和帶區(qū)誤差，但這是指垂直刀刃方向的靈敏度，平行刀刃方向的靈敏度為零。,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,71,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,72,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口

44、陰影法,73,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,74,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,75,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,76,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,77,刀口陰影法,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,1. 刀口陰影法基本原理,1.1 理想球面波的陰影圖及其變化規(guī)律對于理想球面，所有光線都會聚于球心O。如果觀察者的眼睛位于球心O點附近，使所有會聚光線進入眼睛，可以看到一個均勻明亮的視場

45、，其范圍由被測件邊緣所限制。當?shù)犊谧杂蚁蜃笠苿忧懈罟馐鴷r：當?shù)犊谡梦挥诠馐鴷埸cO處（位置N2），本來是均勻照亮的視場變暗了一些，但是亮度仍然是均勻的（陰影圖M2）；當?shù)犊谖挥诠馐稽c的前面（圖中N1處），暗區(qū)從右向左擴展（陰影圖M1）；當?shù)犊谖挥诠馐稽cO之后(圖中N3處)，暗區(qū)從左向右擴展（陰影圖M3）。,圖 示,78,理想球面波的陰影圖及其變化規(guī)律刀口與光束會聚點的相對位置以及刀口橫向移動時陰影圖的變化可以概括為三

46、個判斷準則陰影與刀口同方向移動，則刀口位于光束會聚點之前。如果這是局部區(qū)域的陰影圖，則相對于刀口為中心的球面波而言，該區(qū)域是凸起的。陰影與刀口反方向移動，則刀口位于光束會聚點之后。如果這是局部區(qū)域的陰影圖，則相對于刀口為中心的球面波而言，該區(qū)域是凹陷的。陰影圖某部位（全現(xiàn)場或局部）呈現(xiàn)均勻的半暗狀態(tài)，則刀口正好位在該區(qū)域光束的交點處。,刀口陰影法,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,79,1.2 刀口儀的光路和結構用陰影法觀察波面誤差

47、，光路的安排有自準直和非自準直兩種。自準直和非自準直光路所看到的陰影圖基本相同，但進行定量檢驗時必須考慮到自準直光路光光線兩次通過被測系統(tǒng)，因此波面誤差加倍。圖示為自準直刀口儀鏡管的光路圖。,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,80,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,81,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,82,二、測量裝置及方法汽車燈泡1發(fā)出的光束經(jīng)聚光鏡2、3，再經(jīng)帶有刀口的反射鏡5反射而聚焦在星孔4上。星孔板6上有數(shù)個直徑不

48、同的星孔和兩個寬度不同的狹縫，從星孔發(fā)出的光束射向被測凹球面7，傾斜調節(jié)球面和縱向移動刀口儀，使從球面反射回來的星點像成在刀口的附近。橫向移動刀口儀，用刀口切割星點像。,刀口儀,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,83,1.2 刀口儀的光路和結構儀器的調整步驟：(1)出射光束的調整。要求出射光束在相對孔徑為1/2的被檢系統(tǒng)整個入瞳面上造成均勻的照度；(2)光闌的選擇。被檢系統(tǒng)的實際波面具有軸對稱性時，選用狹縫較有利，否則選用

49、小孔較為有利。根據(jù)被檢系統(tǒng)相對孔徑大小和反射回來的光束的強弱來選用小孔的直徑和狹縫的寬度。相對孔徑小而反射光弱的，應選直徑大的小孔或寬的狹縫；,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,84,刀口儀的光路和結構儀器的調整步驟：(3)調節(jié)刀口的兩個移動方向。使一個方向與被檢系統(tǒng)的光軸方向一致，另一方向與光軸垂直；(4)保持一定的環(huán)境條件。儀器應放在牢固穩(wěn)定的工作臺上，光路中應保持空氣高度均勻，房間要黑暗或半暗。,第一節(jié) 光學面形偏差的

50、檢測,刀口陰影法,85,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,86,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,87,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,88,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,89,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,90,刀口陰影法,一、測量原理

51、 R=SO=HO △R=R-L=HO-HA≈BO △ABC∽△HH’O,,H,H',B,,

52、,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,91,計算波差和幾何像差的關系即,,,,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,92,三、測量誤差分析A米尺誤差△L=（0.5~1）mmB調焦誤差例：D=130mm,R=1300mm可見調焦誤差很小不是主要矛盾精度,,,,,,,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,93,四、優(yōu)缺點（1）優(yōu)點：非接觸測量、可測大曲率半徑，可同時測面形誤差（2）缺點:被測面必

53、須拋光，只能測凹面環(huán)境暗振動小。五、測面形精度：λ/20自準λ/40 檢測球面平面、非球面面形偏差、大口徑光學面拋修的工藝檢驗㈠檢測凹球面鏡的面形偏差1、檢測原理（1）理想的會聚球面波判別準則：陰影移動與刀口切入方向相同，刀口位于光束會聚點之前；陰影移動與刀口切入方向相反，刀口位于光束會聚點之后；陰影圖呈現(xiàn)均勻的半暗狀態(tài)，刀口剛好切至光束會聚點處。（2）若待檢面存在局部偏差和帶區(qū)誤差，待檢面存在的局部偏差很容易從陰 影圖中

54、發(fā)現(xiàn)。當?shù)犊趧偤们兄敛鏁埸c時，則在半暗背景中出現(xiàn)局部偏差的輪廓M，若M中的陰影移動方向與刀口切入方向相同，則M較波面其它部分是凸起的；反之，M是相對凹下的。,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,94,如待檢面的面形存在帶區(qū)誤差，為使陰影圖反映出的波面形 狀與實際波面最接近，也就是說能將各環(huán)帶的波差都反應出來，在 刀口切至光軸的同時，應仔細地軸向移動刀口，直至呈現(xiàn)出最復雜的陰影圖止，如圖所示。2、檢測方法1）按檢測要求的

55、相對位置放置刀口儀及待檢鏡，使刀口大致垂直于待檢面的光軸。2）依據(jù)待檢面的孔徑、半徑以及波差對稱與否，合理選擇星孔大小或狹縫寬度，并將星孔S射出的光束調均勻。沿軸向移動刀口，由刃口處的紙屏攔得的光斑逐漸變小，并達到清晰。此時，象S’已位于刃口處。3）再隨著刃口的切入而仔細地調刀口軸向位置，使觀察到的陰影圖最復雜(刀口剛好切到最佳象點處)。由此判別待檢面的面形偏差的性質、程度和范圍。,圖 刀口切于最佳會聚點處的陰影圖1--最佳會

56、聚點2--最接近波面,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,95,3、檢測靈敏度 刀口偏離球心AR，而使陰影圖產(chǎn)生的亮度對比度，剛好等于人眼的對比度靈敏度時，人眼仍將看到“平面影像”的陰影圖。此時，以O為球心的波面AB相對以O’為球心的參考波面A’B’有一波差ε。故用△R或S表示刀口陰影檢測的靈敏度。用狹縫光源(狹縫寬為b)，人眼對比靈敏度K取5％時，刀口陰影檢測靈敏度分別表示為當人眼判別亮度差的極限對比靈敏度K

57、取2％時，算得相應的極限靈敏度分別表示為用星孔光源(星孔半徑為r)，K取5％時刀口陰影檢測靈敏度分別為,,,,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,96,同樣若K取2％，可算得刀口陰影檢測的極限靈敏度分別為 靈敏度與光源大小及光源形狀選擇有關，自準直光路的，檢測靈敏度可達幾十分之一波長的量級。對非自準直光路的其檢測靈敏度要降低一半。當光源過小時，隨著衍射效應增強、陰影圖亮度的降低以及定值的增大，檢測靈敏度反而要

58、降低，故選擇光源尺寸時要恰到好處。,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,97,二、檢測平面鏡的面形偏差（RITCHEY-COMMON TEST） 刀口陰影法檢平面鏡，須有一塊局部偏差與象散均很小的標準凹球面反射鏡作為輔助工具，共同組成一自準直檢測光路，如圖所示。 其D/R值一般1/8---1/11。待檢平面盡量靠近鏡M，M的光軸與平面鏡法線夾角ω大致成45°角。刀口放在鏡面M的球心附近，L為刀口到平面鏡中點G的距離。

59、若待檢面是完好的平面，當?shù)犊谇兄疗淝蛐臅r，可看到視場瞬間變半暗狀態(tài)。如待檢平面存在帶區(qū)誤差或局部偏差，則會在半暗陰影圖中相應部位上出現(xiàn)亮暗不均勻的陰影；由于檢測時光線在平面上斜反射兩次，故檢局部偏差的精度提高近一倍。,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,98,若待檢平面是個曲率半徑較大的球面，則光源S對該球面相當是軸外物點，自準回來的波面將是個象散波面，并在刀口附近形成相應的子午焦線(垂直圖面)和弧天焦線(圖面內(nèi))。檢驗時，將刃口

60、平行圖面放置，刀口自右向左切割光束。同時軸向調節(jié)刀口儀位置。若見到視場瞬間全部呈半暗，則表明刀口剛好切到子午焦線處，記下刀口儀的軸向位置讀數(shù)。然后將刃口轉至與圖面平行，自上而下切割光束，并軸向移動刀口，又可找到視場瞬間全部呈半暗的位置。這表明刀口剛好切到弧矢焦線處。在刀口儀上再次讀得一軸向位置讀數(shù)，兩讀數(shù)之差即為象散Yo，其大小反映了待檢平面的凸凹程度，其正負反映了待檢面的凸凹特性。如子午焦線靠近待檢面一邊，則待檢面是微凹的平面。反之，

61、弧矢焦線靠近待檢面一邊，則待檢面是微凸的平面。X0值與待檢平面實際存在的凸凹量（即矢高h）關系為式中 D0----待檢平面的通光口徑 實際工作中，除了檢測低精度的大平面用上式計算外，一般都是直接將待檢面修到子午焦線與弧矢焦線重合，即xo＝o為止。此時相應的光圈小于0.2 ，最小焦距,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,99,刀口陰影法檢測非球面面形誤差用陰影法檢測非球面面形誤差時，可以有無像差點法和補償法兩種。如在無像差

62、點刀口陰影法中，利用二次曲面中存在的一對無像差共軛點這一特性可設計出各種刀口陰影法的檢測方案。,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,100,,三、檢驗非球面面形偏差如圖 1、檢凹橢球面 2、檢凸雙曲面 3、檢測凹拋物面：將射向刀口儀的待檢波面作為球波面干涉儀或泰曼干涉儀的測試波面，即可實現(xiàn)干涉法檢測非球面。,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,101,刀口陰影法檢測非球面面形誤差2）拋物面。對拋物面來說，它的焦點是一

63、個無像差點，而另一個無像差點在無窮遠。所以要想利用拋物面的兩個無像差點來進行直接檢測是有困難的。為了檢測拋物面的面形誤差，必須添加一個標準平面反射鏡作為輔助鏡，如圖所示。光源S及刀口均放在拋物面的焦點F處。由于加入光路中的是標準平面鏡，因此從陰影圖中看到的缺陷就是拋物面的面形誤差。,,第一節(jié) 光學面形偏差的檢測,刀口陰影法,第二節(jié) 球面曲率半徑的測量,第三章 光學零部件的基本測量,光學測量,103,第二節(jié) 球面曲率半徑的測量,概述通過

64、光圈檢驗球面面形基準樣板 工作樣板 零件樣板根據(jù)不同要求分為A、B兩級 基準樣板通過測曲率半徑檢驗2mm≤R≤35mm 用玻璃球在立式測長儀上測量機械法（5mm≤R≤1200mm用圓環(huán)球經(jīng)儀 37.5—550 0.03% >550,<37.5 0.06% ）陰影法（1000mm≤R≤幾

65、十米 刀口儀 0.05%）自準直法（R≥幾十米 ,自準直望遠鏡 ,10-103m1%,0.2%~10% R≤500mm,自準直顯微鏡,凸0—25mm 凹0—500mm±0.002 ）干涉法（萬分之幾，長曲率0.3%~1%）,,,104,第二節(jié) 球面曲率半徑的測量,Newton’s Rings,105,機械法,一、測量原理R2=r2-(R-h)2為為防止磨損壞口上放三個鋼球,,,,,第二節(jié) 球面

66、曲率半徑的測量,106,二、測量方法和裝置,1、裝置 圓環(huán)球徑儀(Spherometer) 2、方法 （1）樣板： A平板玻璃放在還口上讀取a1 B球面放在還口上讀取a2 C計算h=a2-a1,,機械法,第二節(jié) 球面曲率半徑的測量,107,（2）標準樣板,A凸面放在環(huán)口上讀取a1B凹面放在環(huán)口上讀取a2C計算 2h=a2-a1,,,,機械法,第二節(jié) 球面曲率半徑的測量

67、,108,3、測量分析,由下列影響因素＊刻尺誤差 經(jīng)修正可達＊阿基米德螺旋線測微目鏡誤差,,,,,,,,,機械法,第二節(jié) 球面曲率半徑的測量,109,,＊顯微鏡對準誤差 ＊不同重量引起的測量環(huán)變形 精度 37.5—550 0.03% >550,<37.5 0.06% 4、環(huán)扣選擇 另,,,,,,,機械法,第二節(jié) 球面曲率半徑的測量,110,f1(K),

68、f2(K)在定義域內(nèi)為單調函數(shù)有端值,K取0.75較合適,5、優(yōu)缺優(yōu)點：精度高、測量范圍寬、零件不用拋光、操作方便缺點：磨損,機械法,第二節(jié) 球面曲率半徑的測量,111,,,機械法,第二節(jié) 球面曲率半徑的測量,112,自準直法,一、準直望遠鏡法(Autostigmatic Measurement)1、測量原理,,,,,,當,第二節(jié) 球面曲率半徑的測量,113,2、測量裝置及方法,1）裝置：帶有伸縮筒的自準直望遠鏡2）方法 A用