(光学测量技术)第4章光学零件的测量

第4章光学零件的测量第4章光学零件的测量4.1光学面形偏差的检验4.2曲率半径的测量4.3平面光学零件角度的测量4.4平面光学零件平行度的测量4.5焦距和顶焦距的测量本章小结思考题与习题第4章光学零件的测量本章主要利用第2章介绍的基本仪器和方法，讨论对与光学零件和成像有关的几何参数和光学参数进行测量的方法及原理。对于平面光学零件，主要有面形偏差、角度误差、平行度及最小焦距等参数;对于球面光学零件，主要有面形偏差、曲率半径、焦距及顶焦距等参数。第4章光学零件的测量教学目的1.掌握检验球面光学零件面形偏差的方法。重点掌握玻璃样板法的原理、高低光圈的识别方法以及光圈数与半径偏差之间的关系。2.掌握用单臂式(斐索型)或双臂式(泰曼型)激光球面干涉仪检测球面的面形偏差及半径测量的方法。3.了解用阴影法检测球面面形偏差的原理和方法。4.了解常用非球面的面形偏差检验方法，如点测法和样板法等。5.掌握用钢珠式环形球径仪测量曲率半径的原理及方法。6.掌握平面光学零件角度及平行度测量的常用方法。7.掌握常用的焦距测量方法。第4章光学零件的测量技能要求1.能够利用玻璃样板实现生产过程中球面光学零件面形偏差的检测。2.能够正确使用球面干涉仪测量面形偏差及半径等参数。3.能够利用钢珠式环形球径仪测量球面光学零件的曲率半径。4.能够利用精密测角仪或比较测角仪实现平面光学零件角度的测量。5.能够用自准直法检测直角棱镜DⅡ-180°的棱差及角度偏差。6.能够选择合适的方法对不同光学零件或系统的焦距进行测量。第4章光学零件的测量4.1光学面形偏差的检验光学零件的折射面和反射面都称为光学面或工作面。工作面实际面形对理想面形(设计时要求的面形)的偏离称为面形偏差。面形检验是光学零件检验中最基本、最重要的检验项目之一，它将直接影响光学零件的质量，并且也是光学检验水平的重要标志。第4章光学零件的测量光学零件的工作面最常用的是球面和平面。这除了因为它们能满足特定的要求之外，还因为它们比较容易加工。此外，在很多光电仪器中还采用了一些非球面。在目前情况下，非球面加工较为困难，在非球面的加工、检验问题得到解决之后，采用非球面将对光电仪器的发展起重要作用。光学零件面形偏差的检验方法很多，所依据的原理也各不相同，但还是可以进行大概归类的。我们知道，测量实际上是一种比较，对于面形的检验也是如此。为了检验实际面形是否符合要求，应将实际面形与理想面形或标准面形进行比较，看其差别是否超出了规定的公差界限。为此，必须获得实际面形或其代表物(例如某一与实际面形有确定关系的波面)以及标准面形或其代表物，以便进行比较。第4章光学零件的测量当上述两者都能以数学的形式给定时，例如标准面形可用数学表达式给定，而实际面形可通过在一定的坐标系中确定实际面形上某些点的坐标(抽样)的办法来得到，那么，“比较”是在数据处理中完成的。当两者都以各自对应的波面(可令光波在其上反射得到)作为代表物时，可令它们相互干涉而实现比较。使用样板法(接触式干涉法)或两种基本的干涉仪———裴索干涉仪或泰曼-格林干涉仪(非接触干涉法)都能完成这个任务。第4章光学零件的测量为了提高灵敏度和读数精度，可采用多通道干涉法和多光束干涉法。使用剪切干涉(通过原始波面与错位波面的比较)、散射干涉法等无参考镜干涉测量方法是解决大孔径光学零件表面面形偏差测量的有效方法。随着激光、光电子和数值计算技术的不断发展而出现的相位探测技术，测试精度可达λ/70~λ/100。此外，对大孔径的光学表面实行阴影法检验，也是常用的简便易行的方法。这时“比较”是在由实际面形上反射的波面与假想的理想球面之间进行的。第4章光学零件的测量4.1.1球面光学零件面形的检验一、干涉法如前所述，干涉法有接触式和非接触式之分，下面分别讨论之。1.玻璃样板法所谓样板，就是按有关规定，被选作标准(面形和半径)的标准面。玻璃样板法就是将样板与被检工作面紧密接触，用接触面间产生的干涉条纹的形状和数目来判断被检工作面对标准面的偏离的检验方法。这种方法同时可以检验被检工作面对样板的曲率半径的偏差，这可根据干涉条纹(光圈)的数目来判断。第4章光学零件的测量玻璃样板法是一种十分古老的方法，然而由于它简便易行，精度很高，因此目前仍然广泛应用于零件检验和工艺过程中的检验。该方法的缺点是，由于是接触测量，因而容易损伤工件，当孔径较大时，由于样板的自重变形、工件受压变形以及两者的温度变形等将使测量精度显著下降。因此，样板法一般用在孔径不超过180~200mm时。个别情况下，也有用小样板分区逐段检验大孔径工件的，但由于精度和效率都不高，故一般很少采用。第4章光学零件的测量下面先讨论面形偏差的表示方法和光圈的识别方法。1)球面零件面形偏差的表示方法半径偏差:即使零件的表面是标准球面，它还可能与样板有不同的曲率半径，此时产生规则的牛顿环(光圈)，这种半径偏差就可以用有效孔径内的光圈数N表示。为表示偏差的性质，光圈数N用代数量表示。高光圈N取正值;反之，N取负值。样板的孔径一般要大于被测零件的孔径。面形偏差:指被检面对球面的偏离。这种偏差一般可分为两种情况。第4章光学零件的测量(1)光圈不圆，呈椭圆形。此时用椭圆的长轴和短轴方向上干涉条纹之差(或在互相垂直的方向上干涉条纹的最大代数差值)Δ1N来表示，并称为像散偏差。其中，Nx、Ny分别为椭圆长、短轴方向的光圈数，它们都为代数量。(2)光圈局部变形。变形量用光圈数表示为Δ2N，称为局部偏差。一般情况下，半径偏差和面形偏差总是同时存在，因此，有的光圈在样板孔径之内可能看不到其全部，而只能看到其一分。在GB2831-81中，将上述偏差都称为面形偏差。第4章光学零件的测量2)光圈识别法在同样偏差的情况下，光圈的数目总是与照明光源的波长相关联的，因此，用光圈数表示偏差时，必须对使用的波长做出规定。我国“光圈识别标准”GB2831-81规定，标准光圈对应的波长为λ=546.1nm。由等厚干涉原理知，当干涉条纹变化一级时，相当于厚度变化λ/(2n)，其中，n为引起相干光光程差变化的介质的折射率，λ为相干光在真空中的波长。我们规定以λ/(2n)作为计量偏差的单位，或者说，当偏差为λ/(2n)时，称偏差为“一道圈”。第4章光学零件的测量GB2831-81规定，光圈的度量法如下:|N|1时，以有效检验范围内直径方向上最多光圈数Nmax的二分之一表示，即如图4.1(a)中所示，|N|1时，在有效检验范围内看不到完整的光圈或只能看到逐渐变化的颜色(干涉色)。对于球面，可利用颜色─间隙对照表查出边缘与中间颜色对应间隙的差值来计算光圈数，见表4－1。第4章光学零件的测量第4章光学零件的测量当零级条纹附近出现一片灰白色而不易确定颜色的差别时，可扩大被检零件与标准面之间的间隙，使之出现较明显的颜色，再按上述方法计算。应该指出的是，干涉色与光源的光谱特性及样板的材料有关。采用上述方法计算光圈时，光圈数应取由颜色所确定的中间光圈数和边缘光圈数之差。如果检验的是平面，可在样板中观察，如图4.1(b)所示的干涉条纹(这只需要适当选择样板与被检平面间的夹角)，一般取3~5个条纹。干涉系统数的计算式为第4章光学零件的测量用同样的办法可以计算像散偏差Δ1N和局部偏差Δ2N。最后应指出，在不同方向观察等厚条纹，会得到不同的结果。为了测量沿球面法线方向的偏差，除了要保证照明光线沿法线入射外，观察方向也应与该法线方向对应的出射光线的方向一致。样板法通常用目视法观察，测量精度一般为0.1个光圈左右。第4章光学零件的测量3)光圈数N和半径偏差ΔR的关系设样板的半径为R0，被检件半径为R，检验时工作孔径为Dg，在工作孔径内，样板和被检件的矢高分别为XR0和XR，整个工作孔径内的光圈数为N。假定照明光束沿着样板标准面的法线方向，并且观察方向与此方向对应，有第4章光学零件的测量将上式两边微分得而第4章光学零件的测量其中，ug为工作孔径Dg对应的样板标准面的孔径角，且sinug=Dg2R0，所以得到第4章光学零件的测量2.干涉仪法采用干涉仪进行非接触测量，可以避免样板法的许多弊病。特别是激光问世以后，由于它的亮度高，相干性好，因而使这类仪器获得了迅速的发展和更加广泛的应用。干涉法同样板法一样，可以同时检验曲率半径偏差和面形偏差，因此检验工作可分为两步进行，首先检验被测面对球面的偏差(面形偏差)，然后测量曲率半径，并计算曲率半径的偏差。使用单臂式(斐索型)或双臂式(泰曼型)激光球面干涉仪都可以完成上述任务。第4章光学零件的测量检验面形偏差时，应使由标准面上反射得到的标准波面与被测面上反射得到的测试波面两者球心重合，或稍有横向偏离，并观测其干涉图，当上述两波面之间没有差别时，干涉图为均匀一片或很少的几条平行直条纹，并且不管条纹方向如何(它对应两波面球心沿不同方向横向偏离)都为直线，间距也相等。如果存在面形偏差，则条纹呈现椭圆形或发生局部弯曲(分别对应Δ1N和Δ2N)，这时可按前述光圈识别方法判读。第4章光学零件的测量应该注意的是，在激光球面干涉仪上，使用He-Ne激光器作为光源，波长为632.8nm，这与光圈识别标准规定的标准波长λ=546.1nm不同，因此，在激光球面干涉仪上测得的面形偏差Δ1N和Δ2N应该换算成用标准波长表示的相应的数值，这可以通过乘上修正系数k=632.8/546.1=1.16实现。第4章光学零件的测量测量曲率半径时，只需移动被测件，使被测面的球面的顶点及球心分别瞄准标准球面球心，并测出被测件移动的距离，即可得到被测球面的曲率半径。被测件移动的距离可由精密测长机构(如光学测长、计量光栅测长或激光测长)测出。在这里，瞄准是通过干涉的方法进行的，即以瞄准时干涉场上干涉图的特征作为判别准则来进行瞄准，由第2章干涉仪的介绍可知，这个位置的干涉条纹最疏，甚至看不到条纹(干涉场上具有均匀的亮度)。第4章光学零件的测量当被测面的曲率半径很大时，就应选择具有更大半径的标准面。当标准波面的焦点受结构限制无法与被测球面顶点实现瞄准时，对顶点的瞄准就不得不采用接触式瞄准方法，但对球心的瞄准则仍可采用干涉法。如图4.2所示，(a)、(b)两图分别对应检验凸面和凹面的情况。此时，只有测出ΔR，才能求得被检球面的曲率半径Rx。由图知:第4章光学零件的测量于是可以求得被测球面半径偏差为其中:Rx0为被测球面的曲率半径标称值;R标凸(凹)为干涉仪标准面的曲率半径，当使用双臂式激光球面干涉仪时，它近似于标准物镜的焦距f′。此时，式(4－7)中的ΔR也应做必要的修正。第4章光学零件的测量第4章光学零件的测量对于平面的面形检验，可以使用激光平面干涉仪，此时可使两相干波面平行或相互微微倾斜，产生3~5条干涉条纹来进行判读。利用平面干涉仪测量大曲率半径(如半径为几十米至上千米)的球面时，读取全孔径的光圈数后，可按下式求出半径的大小(考虑到半径很大、孔径角很小):其中:Dg为被检面的实际工作孔径;N为在Dg范围内的光圈数;λ为工作波长。第4章光学零件的测量二、阴影法1.用于曲率半径的测量用阴影法测量曲率半径，是用刀口仪确定被测球面的球心位置，然后量取刀口和被测球面边缘的距离，作为被测球面的曲率半径。测量中存在下面几项主要误差。首先是用刀口至被测球面边缘的距离代替曲率半径的替代误差，其次是阴影法的定焦误差、像散引起的定焦误差以及测量时的瞄准误差和标准量的误差等。分析表明，上述这些因素中，测量时的瞄准误差和标准量的误差是主要因素，因为当被测的曲率半径较大时，标准量的误差常常是较大的。尽管如此，因为被测的曲率半径很大，所以相对误差并不大。因此，用阴影法测量大曲率半径(凹面镜)时，还是有很高的精度的。第4章光学零件的测量2.用于面形的检验1)凹球面面形的检验用阴影法检验凹球面的面形误差时，如果凹球面的面形很好，那么刀口置于球心位置时，不计像散影响，就会看到“平面形象”的阴影图。如果凹球面有面形误差，则可看到明暗变化的阴影图。设面形偏差为ΔR，那么由于光线在其上的反射将引起波像差ΔW=2ΔR。假定阴影法的波像差灵敏阈为λ/20，那么，Δ