利用劈尖干涉检测部件平整度的研究

用劈尖干涉检测部件平整度的研究李江（曲靖师范学院物理与电子工程学院云南曲靖655011）摘要:根据劈尖干涉原理，在显微镜下观察干涉图样，可以简单的判断某些部件的平整度．若使一块平滑玻璃板和待测部件间形成一个很小的角度，就构成一个楔形空气薄膜，用已知波长的单色光入射后就会产生干涉条纹。如果条纹向靠近劈尖的顶角侧弯曲时，说明部件该处是下凹的；若条纹向远离劈尖的顶角侧弯曲时，说明部件在该处是凸起的。这种判断方法简单，易于操作，是工业上常用的一种判断部件平整度的方法。关键词:劈尖干涉；楔形空气薄膜；干涉条纹目录第一章引言.........................................................3第二章实验原理.....................................................4第三章实验步骤.....................................................6第四章实验误差分析.................................................6第五章实验总结.....................................................7第一章引言劈尖干涉实质上是等厚干涉，为了简单判断某些金属部件的平整度，将其作为劈尖的下底面得出干涉图样，观察干涉图样的凹凸性就可简单的判定部件的平整度。前人在基于等厚干涉原理的基础上，通过劈尖干涉可测出某些透明液体的折射率和薄片的厚度，使折射率在光学领域充满色彩，后人也采用了不同的方法测量了这个光学量，并且测量方法也越来越精确。本实验是通过劈尖干涉得到干涉图样，间接地检测部件平整度，通过分析光程差，易得当平面平整时，厚度是均匀变化的，则在显微镜得到的干涉条纹为平滑的直线。当显微镜中的图像有一下凹，条纹是等厚的点的轨迹，下凹就是厚度增加，于是这里的厚度等于比此处远离劈棱处的地方的厚度，远离劈棱的地方的轨迹偏到这里来；当显微镜中的图像有一凸起，条纹也是等厚的点的轨迹，凸起就是厚度减少，于是这里的厚度等于比此处靠近劈棱处的地方的厚度，靠近劈棱的地方的轨迹偏到这里来。总体情况就是：当有一下凹，则条纹向靠近劈棱方向偏；若有一凸起，则条纹向远离劈棱的方向偏。从而利用劈尖干涉原理得出干涉图样，对某些部件的平整度进行简单的检测。第二章实验原理将两块玻璃板ｎ1和ｎ2叠起来,在一端垫一根细丝(或纸片),两板之间形成一层空气膜,形成空气劈尖。如图2所示，形成与劈尖棱角平行,明暗相间的等厚条纹.观察劈尖干涉的实验装置如图1所示从点光源S发出的光经透镜L变成平行光，在经过半透半反玻璃片M射向空气劈尖，自劈尖上下两表面反射后形成相干光，径路显微镜T,就能在劈尖上表面观察到明暗相间均匀分布的干涉条纹。图1如图2所示，设两玻璃板之间的夹角为,玻璃的折射率为1n,空气的折射率为1。由于角很小，在实验中，单色平行光几乎垂直地射向劈面，所以劈尖上下两表面的反射光线与入射光线近乎重合。设在P点出，劈尖对应的厚度d，因为1n1,所以劈尖表面无半波损失.因此上下两表面反射光的光程差为:nd2。图2反射光是相干光,相干叠加明暗纹的条件是当公式1nd2=2k2(k=0,1,2....)时干涉相长，得亮纹。当公式2nd2=（2k+1）2(k=0,1,2…)时干涉相消，的暗纹。每一明条纹或暗条纹都与一定的Ｋ值对应，也就是与劈尖的厚度d相对应。在两玻璃片相接触处，劈尖的厚度d＝0，由无半波损失的存在，所以在棱边处为明条纹。任何相邻明条纹或暗条纹所对应的厚度差为：2d我们分析实验采用空气劈尖，n=1。若相邻两条明条纹或暗条纹之间的距离为则可知：因为角度很小，所以2l所以为使实验条纹凹凸明显，使越小，l就越大，即干涉条纹越疏。当平面平整时，厚度均匀变化，条纹为直线。当显微镜中的图像有一下凹，条纹是等厚的点的轨迹，下凹就是厚度增加，于是这里的厚度等于比此处远离劈棱处（厚度为o的地方）的地方的厚度，远离劈棱的地方的轨迹偏到这里来，总体情况就是：条纹向劈棱方向偏。若有一凸起，向远离劈棱的方向偏。第三章实验步骤将两块玻璃板叠在一起，在一侧放一块薄片，将一束单色光垂直照射到上玻璃板，在光学显微镜内观察干涉条纹。用图甲所示的空气劈尖检查部件表面的平整度，出现如图乙、丙所示的条纹。用干涉法检查平面，如图甲所示，两板之间形成一层空气膜，用单色光从上向下照射，入射光从空气膜的上下表面反射出两列光波，形成干涉条纹。如果被检测平面是光滑的，得到的干涉图样必是等距的。如果某处凹下去，则对应明纹（或暗纹）提前出现，如图乙所示；如果某处凸起来，则对应条纹延后出现，如图丙所示。（注“前”与“延后”不是指在时间上，而是指由左向右的位置顺序上。）图3实验结果表明，条纹向劈尖的顶角侧弯曲时说明部件该处是一个下凹的；条纹远离顶角弯曲时，部件该处是凸起的。第四章实验误差分析两玻璃板之间的角度要控制好，如若过大，将无法观察到实验现象，若过小，条纹将分辨不出来。其次，要注意劈尖的质量。本实验必须小心实验误差，否则将观察不到实验现象。第五章实验总结在实验中，越来越注重实验的准确性，有些实验仪器必须保持一定的平整度，精确实验结果。在生活中，工厂生产的产品也注重产品的质量，提升产品的光洁度，运用劈尖干涉原理对产品的检测是一种很好的方法。参考文献[1]赵新闻，扬兵初，黄生祥.对劈尖薄膜等厚干涉光程差公式的推导[J].物理与工程,2006.02期:11～12.[2]姚启钧.光学教程[M].北京：高等教育出版社,2005:95～100.[3]梁铨廷。物理光学[M]。北京：电子工业出版社，2008:1091～12.