数字式球径仪总体

数字式球径仪总体设计报告院系：电子信息学院2011年12月28日武汉大学2摘要：光学球面曲率半径的精密测量，对高质量球面样板、光学系统的质量控制等方面具有重要意义。本文根据自参考剪切千涉技术，采用球面补偿自准直原理，并结合微机技术提出了一种新型数字式激光干涉球径仪。详细介绍了该球径仪的测量原理、结构及精度分析。关键字：曲率半径激光干涉数字式微机系统精度分析目录3引言..................................................................................................................................................4一、设计任务.................................................................................................................................5§1.1设计的目的要求...........................................................................................................5§1.2设计的背景意义............................................................................................................5§1.3测量技术现状...............................................................................................................5二、球径仪工作原理.......................................................................................................................7§2.1自参考激光剪切干涉球径仪.......................................................................................7§2.2球径仪的数字化.........................................................................................................11三、系统的总体设计...................................................................................................................11§3.1系统框图.....................................................................................................................11§3.2系统各部分电路设计.................................................................................................12四、系统精度分析与提高...........................................................................................................13§4.1系统精度分析.............................................................................................................13§4.2各项误差来源.............................................................................................................13§4.3系统精度提高.............................................................................................................14五、设计总结...............................................................................................................................15§5.1设计系统总结.............................................................................................................15§5.2设计心得体会.............................................................................................................15参考文献.........................................................................................................................................174引言光学球面曲率半径的测量是光学测试领域的重要课题之一。根据不同的原理和要求，人们已相继提出了许多测量方法和技术，如自准直望远镜方法、自准直显微镜方法、球面干涉仪方法、刀口阴影方法及平板剪切干涉方法等。而这些有的是间接测量，需要将测量值带入公式进行计算，求出曲率半径，基本都是人为读数，其精度受测量人员、光线等诸多因素的影响。本设计将充分利用自参考激光剪切干涉技术和球面补偿自准直原理以及微机系统，基于计算机技术和传感器技术理论实现球径仪数字化。该球径仪结构简单，测试方便，精度高，同时还具有多功能优点(亦可方便地用于透镜焦距的测量)，因此，可望在光学球面及透镜参数分析测试等领域获得广泛应用。数字化球径仪将实现测量结果的数字化直接显示，方便快捷，并且将多种知识综合应用，有利于对所学知识的掌握和融会贯通。本设计将从球径仪总体设计、具体原理、所用器材、具体方案、效果等多方面综合阐述，在对传统的测试方法研究分析的基础上从仪器整体设计思想出发，力图做到科学。5一、设计任务§1.1设计的目的要求应用计算机技术和传感器技术进行几何量测量的高精度测量是解决光学零件曲率半径测量的有效手段之一。本题目旨在对传统的测试方法研究分析的基础上从仪器整体设计思想出发，应用新技术设计一套具有先进技术的新的测量装置。设计的主要内容为：①分析，研究传统的曲率半径测量仪器——球径仪②应用新技术提出测量原理和系统方案③进行全系统的总体设计并进行精度分析④完成总体设计报告§1.2设计的背景意义光学球面曲率半径精确测量是光学测量和光学冷加工过程中的重要环节。传统光学测量技术对光学球面曲率半径测量，就其测量方式分有接触式和非接触式两种。常见方法有环式球径仪法、牛顿环干涉法、自准直定位法、刀口阴影法等。前两种方法是接触测量方法，会带来光学球面磨损；后两种方法是非接触测量方法，虽然避免了对球面的磨损，但对光路调节定位需要非常准确，带来调校光路的难度较高，也有可能导致最终测量误差增加。这些不同的方法，可用来针对测量大、小不同的曲率半径。近年来，随着光通讯、消费类电子的快速发展，光纤陶瓷插针、微透镜阵列、手机镜头、光学读写头等小型或微型光学球面的需求量日益增加，对此类球面参数的测试就显得尤为重要。§1.3测量技术现状以下介绍几种测量曲率半径的方法，其中重点介绍环式球径仪方法。6环式球径仪法测量曲率半径：环式球径仪测量球面曲率半径是通过测量某部分球面对应的矢高及弦半径，利用已知的弦半径与测量所得的矢高值计算被测球面的曲率半径。如图1.1，由几何关系可以得到被测球面曲率半径的计算式为2rhR=2h2式中：R—被测球面半径，单位为mm；r—球面对应部分的弦半径(已知量)，单位为mm；h—弦半径r所对应的矢高，是待测量，单位为mm；图1.2是现已有的环式球径仪的构造示意图。为准确地测量弦半径r值，一般采用一定尺寸的测量环，环半径r是经过精密测量的，作为已知数据，所以实际测量球面曲率半径R时，只要测出矢高h即可。图1.1环式球径仪测量原理图1.2环式球径仪构造图为了减小测量环锋利边缘与被测球面接触而磨损的影响，提高测量精度，有的球径仪在测量环上装上已知半径为的三个小钢球，测量时使被测球面与三个小钢球接触，如图1.3所示此时可以用下式计算被测球面曲率半径2rhR=2h2（）图1.3带小钢球测量环球径仪式中测量凸球面时使用公式中的负号；测量凹球面时使用公式中的正号。7a)为被测球面凸面b)为被测球面为凹面自准直法测量曲率半径：自准直法属非接触测量，测量精度高，原理是利用自准直显微镜分别瞄准球心和表面，经球面反射，两次获得自准直像，两次获得像的过程中测量座移动的距离即为要求的球面曲率半径。自准直法测量球面曲率半径的方法，常见的有自准直显微镜法用于曲率半径较小的测量，和自准直望远镜用于测量较大的球面曲率半径。牛顿环干涉法：牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凸透镜放在光学平玻璃上构成的，平玻璃表面与凸透镜球面之间形成一楔形的空气间隙。当用平行光照射牛顿环仪时，在球面与平玻璃接触点周围就形成了同心圆干涉环，称为牛顿环。光线应是垂直入射的，计算光程差时还要考虑光波在平玻璃板上反射会有半波损必，从而带来/2附的加程差，所以总光差为：2d2，产生暗环的条件是：2k12（），其中K=O，1，2，3…．为干涉暗条绞的级数。则第K级暗环的半径为：2krkR，出该式可知，如果单色光源的波长已知，测处第m级的暗环半径mr，即可得出平凸透镜的曲率半径R。二、球径仪工作原理§2.1自参考激光剪切干涉球径仪一、工作原理该球径仪的设计基础是自参考激光剪切干涉技术。该技术采用Murty楔形板8干涉形式，但同时利用反射和透射光束，以两光束在平板正、反两方向形成的两组剪切干涉条纹的平行作为入射光束准直性判据(如图2.1所示)。不仅其检测灵敏度较之常规技术提高一倍，而且实现了自参考，避免了常规方法中由于设立参考基准和准确调整平板楔角方向带来的不便。图2.1自参考激光剪切干涉仪结构简图新型球径仪正是利用其上述优点和结构特征，采用球面补偿自准直原理，实现光学球面曲率半径的高精度测量，原理简图如图2.2所示。微角楔形平板WP与平面反射镜M1，M2构成自参考剪切干涉仪。L，L0和TS分别为两准直透镜和待测光学球面，三者形成球面补偿自准直系统，替代平面镜M2。图2.2自参考激光剪切干涉球径仪原理简图准直入射光束经平板WP后，构成两部分：反射光束（前、后表面反射光束）和透射光束。前者形成剪切干涉条纹（称条纹I），并经M1反射呈现在观测屏上作为参考条纹。后者作为探测光束，经透镜L和L0，再由待测光学球面反射返回。当L和L0两透镜处于非定焦状态，即两透镜焦点不重合时，准直探测光束9经透镜L和L0系统后变成球面发散（或汇聚）光束。如果轴向移动透镜L，使光束在TS处波阵面恰好与待测球面重合，则光束经