激光干涉仪检测球面光学零件面形精度分析

摘要:文章通过使用激光球面干涉仪对不同光学零件面形的测量从而作出其精度测量的分析,探讨了实验中产生问题的原因,并对实验数据加以讨论,以找出误差产生的规律。

关键词:激光球面干涉仪;等厚干涉;光学零件面形;干涉仪器;精度分析

中图分类号:TH744文献标识码:A

文章编号:1009-2374 (2010)24-0191-03

1检测仪器

1.1激光球面干涉仪

1.1.1干涉仪的分类干涉仪的设计方式有许多种,按照形成干涉的光束数目分为双光束及多光束两大类,双光束干涉仪所产生的条纹其亮度多呈正弦曲线的分布情形。其基本原理都是通过各种光学元件形成参考和检测光路的方法。就是采用了一种常见的干涉方式制成的,一般称为菲索干涉仪,这种干涉仪一般用来检测元件表面或光学系统的波相差。由于所用激光的带宽很窄,因此它的相干长度很长可以在光程差很大的情况下得到干涉图样,对待测物体放置的要求不是很严格。泰曼格林干涉仪、菲索干涉仪、麦克詹达干涉仪及麦克森干涉仪,皆属于此种双光束干涉方式。

1.1.2干涉仪检测光学零件表面的优点

其一,它是非接触监测,不会损伤被探测物体表面。

其二,它获取数据的信息量大,图样本身是一个连续变化的过程,有着极高的分辨率。

其三,测量范围大,它可以同时对一个很大表面进行并行的分析和处理。

局限性:因为是分析反射光,所以有足够的反射才能得到干涉图样进行分析。这就对光源和被探测物体的表面粗糙度提出了条件。

1.1.3干涉仪的应用光学仪器中的透镜、棱镜等,其表面质量要求很高,通常要求磨制面与理想几何形状间的误差不超过光波波长的数量级,用干涉法可检验出微小的误差(小于波长的几十分之一)。所以在光学系统评价、表面的粗糙度、面形和元件的微小偏移的测量都采用了干涉仪进行分析。

1.2OSI-75TQ型激光球面干涉仪

OSI-75TQ型激光球面干涉仪(如图1)是用稳频的氦氖激光器作为光源,由于它的相干长度很大,干涉仪的测量范围可以大大的扩展;而且由于它的光束发散角小,能量集中,因而它产生的干涉条纹可以用光电接收器接收,变为电讯号,并由计数器一个不漏的记录下来,从而提高了测量速度和测量精度。

QSI-75TQ型激光球面干涉仪用以检测光学元件的面形、光学镜头的曲率半径以等的一种精密仪器,其测量精度较高。该干涉仪可以检测平面和球面光学零件,前者由分束器、准直物镜和标准平面所组成,后者由分束器、有限共轭距物镜和标准球面所组成。激光光束在标准平面或标准球面上,部分反射为参考光束;部分透射并通过被测件,为检测光束。检测光束自准返回,与参考光束重合,形成等厚干涉条纹。本次实验主要检测球面零件的面形偏差。

1.3仪器的设计原理

激光束经扩束,再经聚光镜会聚后,经过分光棱镜,形成两个支路,一个支路用于观察,将图像成像在CCD上;另一个支路经过准直物镜形成一列高质量的平面波,该平面波进入标准镜在最后一面反射形成参考球面波。由标准镜射出的球面波在被检球面上反射就得到被检球面波。参考球面波和被检球面波在光线的回程中相遇,就发生干涉现象。

表1QSI―75TQ型激光球面干涉仪主要技术指标

技术指标 参数值

测量原理 菲索干涉原理

显示方式 CCD显示

平面参照镜面形精度 p-v:优于 λ/20

球面参照镜面形精度 P-v:优于 λ/15

光源 He-Ne激光器

波长 632.8nm

最大检测口径(平面) 75mm

电源 210～230V40～60Hz

工作温度 20℃～25℃

1.4球面标准镜头

球面标准镜头:F数=1/相对口径=f/D=R/D,在检测时要根据所需检测的曲率半径和F数来选择合适的标准镜头。

如果是凸透镜,镜头的标准面半径要大于被检的镜片半径,要实现全口径检测,最好选镜头的F数小于或等于被测凸透镜的F数。

如果是凹透镜,要考虑整个导轨的长度是否能够实现。在导轨满足的情况下,在选择合适的镜头。同样要想使被测件能实现全口径测量,最好选标准镜头的F数小于或等于被测凹透镜的F数。

表2测量范围

F数 曲率半径测量范围/mm 最大测量口径/mm

凸 凹 凸 凹

F1 5～45 0～282 49 270

F1.5 5～85 0～238 56 157

F2 5～123 0～200 62 101

F3 5～200 0～157 68 53

F5.6 32～387 ------ 71 -----

表3实验中检测的光学零件

零件代号 零件曲率半径 零件名称

t―1 109.9;66.68 双凸透镜

t―2 311.9;77.59 双凸透镜

t―3 22.49;66.76 凹凸透镜

t―4 77.8;77.8 双凹透镜

t―5 827.9;70.47 凹凸透镜

由标准测量镜头测量范围可知:以上这些光学零件都能选用F1、F1.5、F2、F3进行测量。

2检测原理

前面提到菲索干涉原理为等厚干涉,干涉条纹是等光程差(等光学厚度)的点的轨迹。任何干涉、通过对条纹数目或数目变化,可以获得以光的波长为单位的对光程差的计量,用于精密测量和检验。

当两束光波即波阵面合成在一起时,其合成后的光强的分布将由波阵面的振幅和相位来决定。由于相位差的变化产生了明暗相间的干涉图样。而相位差是由于两束光经过的反射路径后形成的光程差造成的。通过分析这样的干涉图样我们就可以经过计算得出图样中的任何一点的光程差。而光程差的出现是由于被检测表面的形状或倾斜与参考表面不一致。那么当我们把参考表面做成一个接近完美的表面时,干涉图样所反映的就是被测表面的情况。

如下图,由一个曲率半径R很大的平凸透镜与一个平板玻璃在O点密接,形成一空气隙,空气隙等厚线是以O为圆心的同心圆圆环。如果单色平行光正入射,则在空气隙上表面形成等厚干涉条纹,条纹形状是以O为圆心的同心圆圈。

(a) 装置(b)条纹

hk是第K级条纹对应的空气隙厚度

rk是第K级条纹半径

因为

第K级暗纹条件

所以

(对应第K级暗纹的厚度)

rk2=R2-(R-hk)2≈2Rhk R≥hk

所以

3实验数据的处理

3.1检测(测量)误差

所谓测量,就是将被测的量和一个作为测量单位的标准量进行比较的过程。例如,用游标卡尺测量轴的直径,就是将轴在直径方向上的线度,与游标卡尺上的刻度进行比较,从而读出其尺寸的过程。

测量误差分类:

过失误差。测量人员主观原因或是客观外界的原因造成;是不允许出现的,必须消除。

系统误差。由测量装置仪器的设计原理缺陷、测量环境变化、以及操作人员的测量方法及读数等造成;可以尽量减小。

偶然误差。由测量装置、零部件变形及信号不稳定性、环境变化、人为因素等造成;这样的误差是必须要出现的。

3.2实验所测数据

光学零件的面形偏差是用光圈数表示的。

光圈的度量包括:

N――被检光学表面的曲率半径相对于参考光学表面曲率半径的偏差称半径偏差;

N――被检光学表面与参考光学表面在任一方向上产生的干涉条纹局部不规则程度称局部偏差所对应的光圈数;

实验显示的数据还包括:P-V、RMS值、等高图、三维立体图、X-Y剖面图、干涉条纹图等。

3.3测量数据

实验中将测量数据列成表格,可以简明地表示出有关物理量之间的关系,便于检查测量结果是否合理,有助于发现、分析、解决问题。

表4使用标准球面镜头F2.0检测结果

编号 1-1-F2.0 1-2-F2.0 2-1-F2.0 3-1-F2.0 3-2-F2.0 4-1-F2.0 5-1-F2.0

项目代号 109.9;66.68 311.9;77.59 22.49;66.76 77.8;77.8 827.9;70.47

零件代号 t-1-1 t-1-2 t-2-1 t-3-1 t-3-2 t-4-1 t-5-1

PV(波长) 0.2547 0.4918 0.8959 1.0100 0.3937 0.2262 0.3239

RMS 0.0421 0.0491 0.1792 0.1343 0.0360 0.0404 0.0610

N 0.5095 0.9836 1.7917 2.0199 0.7873 0.4525 0.6478

N 0.1834 0.4131 0.6988 1.0302 0.2834 0.1900 0.2526

零件名称 双凸透镜 双凸透镜 凹凸透镜 双凹透镜 凹凸透镜

4结论

第一,对环境的要求(温度,湿度,气流,震动):干涉仪要求在温度恒定(温度控制在22℃～24℃),没有明显气流,不能太潮湿,湿度最好控制在60%左右。如果工作环境满足不了以上的要求,则对干涉仪的测量精度造成一定的影响。同时由于我们使用的是He-Ne气体激光器,当温度变化或有气流影响时,会对稳频有影响,造成激光仪的不稳定。震动对软件计算的影响较大,最好放置在隔震的地方。

第二,开机15分钟后,等激光器稳定后在开始进行检测。当监视器中的条纹出现亮暗和对比度的变化时,一般在1分钟内就可以恢复正常。如果在几分钟后还有这种现象时,请关闭激光控制器电源,30分钟后再重新启动。

第三,在检测时还要注意被检件的材料。因为材料不同反射率就不同。反射率低的材料在检测时,干涉条纹会相对淡些;反射率高的材料,相应的干涉条纹就亮些。

第四,本次实验目的是通过不同F数的标准镜头来测量相同的零件的面形,从而找出其中测量最为理想的标准球面镜头,可是由于镜头和测量环境存在的问题,致使F1、F1.5、F3调试出现的光圈均达不到理想状态,导致测量的数据均与实际相差较大,所以只有标准镜头F2.0能精确的测试出其测量范围内的所有光学零件的面形。通过对标准镜头F2.0测量的五块光学零件的测量数据进行分析,我们可以知道被检光学零件的表面面形、曲率半径等的偏差都非常的小,属于较高精度的测量,标准镜头F2.0能满足高精度面行的测量。

5结语

随着现代科学技术和国防事业的发展,对一些光学系统的成像质量要求越来越高,迫切需要有高精度的光学材料的检测手段。先进技术的发展日新月异,精密测试技术应该适应这种发展,担负起质量技术保证的重任。这就要求首先要以提高产品的质量为出发点,这也是要达到的最重要的目的。其次是精密测试技术要提高产品的生产效益。因此,检测方法要能适应快速发展生产的要求,不能单纯为了检测而检测,更不能因为检测的要求而影响生产的效益,从更积极的角度出发,应该是由精密测试技术的良好服务从而促进生产能力的提高。根据先进制造技术发展的要求以及精密测试技术自身的发展规律,不断拓展新的测量原理和测试方法,以及测试信息处理技术,为高效生产提供质量保证。

参考文献

[1] 蔡立.光学零件加工技术[M].北京:兵器工业出版社,2006.

[2] 吴强.光学 [M].北京:科学出版社,2006.

[3] 金发庆.传感技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2009.

[4] 太科OSI-75TQ激光球面干涉仪产品使用说明书.