光学零部件基本测量

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1、第三章 光学零部件的基本测量,光学测量,第三章 光学零部件的基本测量,光学测量,第一节 光学面形偏差的检测,第三章 光学零部件的基本测量,光学测量,4,1、面形误差：实际面形与理想面形之间的偏差,2、面形偏差的表示方法 （1）以曲率半径偏差表示 （2）局部偏差表示,一、基本概念,二、面形偏差检验方法,干涉仪法,裴索平面干涉仪检测面形偏差 裴索球面干涉仪检测面形偏差,刀口阴影法检测面形偏差,第一节 光学面形偏差的检测,5,概述： 光学干涉测试技术最初在光学零件和光学系统的检验中获得广泛应用。 在光学零件面型、平行度、曲率半径等的测量中，斐索型干涉测量法与在光学车间广泛应用的牛顿型干涉测量法（样板

2、法或牛顿型干涉法）相比，属于非接触测量。,第一节 光学面形偏差的检测,干涉法,6,现代干涉技术是物理学理论和当代技术有机结合的产物。激光、光电探测技术和信号处理技术对于干涉技术的发展起着重要的作用。 历史进程： 17世纪后半叶，玻意耳(Boyle)和胡克(Hooke)独立地观察了两块玻璃板接触时出现的彩色条纹（后被称作牛顿环），人类从此开始注意到了干涉现象。 1690年，惠更斯出版论光，提出“波动”说。 1704年，牛顿出版光学，提出了“微粒”说。 1801年，托马斯杨(Thomas Young)完成了著名的杨氏双缝实验，人们可以有计划、有目的地控制干涉现象。,第一节 光学面形偏差的检测,干涉

3、法,7,历史进程： 1818年，阿喇果和菲涅尔发现两个正交的偏振光不能干涉，导致杨和菲涅尔得出光是横波的结论。 1860年，麦克斯韦(C.Maxwell)的电磁场理论为干涉技术奠定了坚实的理论基础。 1881年，迈克尔逊(A.Michelson)设计了著名的干涉实验来测量“以太”漂移，导致“以太”说的破灭和相对论的诞生。他还首次用干涉仪以镉红谱线与国际米原器作比对，导致后来用光波长定义“米”。 1900年，普朗克（Max Planck）提出辐射的量子理论，成为近代物理学的起点。,干涉法,第一节 光学面形偏差的检测,8,历史进程： 1905年，爱因斯坦（Albert Einstein）提出相对论

4、原理。 1924年，Louis de Broglie推导出de Broglie波方程，认为所有的运动粒子都具有相应的波长，为隧道显微镜、原子力显微镜的诞生做了理论准备。 1960年，梅曼(Maiman)研制成功第一台红宝石激光器，以及微电子技术和计算机技术的飞速发展，使光学干涉技术的发展进入了快速增长时期。 1982年，G.Binning和H.Rohrer研制成功扫描隧道显微镜，1986年发明原子力显微镜，从此开始了干涉技术向纳米、亚纳米分辨率和准确度前进的新时代。,第一节 光学面形偏差的检测,干涉法,9,特点： 具有更高的测试灵敏度和准确度； 绝大部分的干涉测试都是非接触式的，不会对被测件带

5、来表面损伤和附加误差； 较大的量程范围； 抗干扰能力强； 操作方便； 在精密测量、精密加工和实时测控的诸多领域获得广泛应用。,第一节 光学面形偏差的检测,干涉法,10,分类：,干涉法,第一节 光学面形偏差的检测,11,1、干涉的概念 1）相干光 （1）频率相同 （2）位相差恒定 （3）光矢量振动方向相同 （4）光程差小于波列长度 因此，必须用单色光源，使同一光源发出的光束分成两束，且光程差不能太大。钠光 ， 激光 几十米）,第一节 光学面形偏差的检测,干涉法,12,影响干涉条纹对比度的因素 干涉条纹对比度可定义为,式中，Imax、Imin 分别为静态干涉场中光强的最大值和最小值，也可以理解为动

6、态干涉场中某点的光强最大值和最小值。,当 Imin = 0时K1，对比度有最大值；而当 Imax= Imin时K0，条纹消失。在实际应用中，对比度一般都小于1。 对目视干涉仪可以认为：当K0.75时，对比度就算是好的；而当K0.5时，可以算是满意的；当K0.1时，条纹尚可辨认，但是已经相当困难的了。 对动态干涉测试系统，对条纹对比度的要求就比较低。,第一节 光学面形偏差的检测,干涉法,13,由此得最大干涉级m/ ，与此相应的尚能产生干涉条纹的两支相干光的最大光程差(或称光源的相干长度)为,4-1 激光干涉测试技术基础,1.2 影响干涉条纹对比度的因素 光源的单色性与时间相干性 如图，干涉场中实

7、际见到的条纹是到 中间所有波长的光干涉条纹叠加的结果。 当 的第m级亮 纹与的第m+1级亮纹重 合后，所有亮纹开始重 合，而在此之前则是彼此分开的。则尚能分辨干涉条纹的限度为,在波动光学中，把光通过相干长度所需要的时间称为相干时间，其实质就是可以产生干涉的波列持续时间，（其对应产生干涉的两列波的光程差）。因此，激光光源的时间相干性比普通光源好得多，一般在激光干涉仪的设计和使用时不用考虑其时间相干性。,第一节 光学面形偏差的检测,干涉法,14,影响干涉条纹对比度的因素 光源大小与空间相干性 干涉图样的照度，在很大程度上取决于光源的尺寸，而光源的尺寸大小又会对各类干涉图样对比度有不同的影响: 由平

8、行平板产生的等倾干涉，无论多么宽的光源尺寸，其干涉图样都有很好的对比度。 杨氏干涉实验只在限制狭缝宽度的情况下，才能看清干涉图样。 由楔形板产生的等厚干涉图样，则是介于以上两种情况之间。,如取对比度为0.9，可得光源的许可半径,在干涉测量中，采取尽量减小光源尺 寸的措施，固然可以提高条纹的对比 度，但干涉场的亮度也随之减弱。 当采用激光作为光源时，因为光源上 各点所发出的光束之间有固定的相位 关系，形成的干涉条纹也有固定的分 布，而与光源的尺寸无关。激光光源 的大小不受限制，激光的空间相干性 比普通光源好得多。,第一节 光学面形偏差的检测,干涉法,15,影响干涉条纹对比度的因素 相干光束光强不

9、等和杂散光的影响 设两支相干光的光强为I2=nI1，则有,可见，没有必要追求两支 相干光束的光强严格相等。 尤其在其中一支光束光强 很小的情况下，人为降低 另一支光束的光强，甚至 是有害的。因为这会导致 不适当地降低干涉图样的 照度，从而提升了人眼的 对比度灵敏阈值，不利于 目视观测。,非期望的杂散光进入干涉场，会严重影响条纹对比度。 设混入两支干涉光路中杂散光的强度均为 ，则,于是,第一节 光学面形偏差的检测,干涉法,16,4-1 激光干涉测试技术基础,影响干涉条纹对比度的因素 相干光束光强不等和杂散光的影响 当n = 1时，有,在干涉仪中各光学零件的每个界面上都产生光的反射和折射，其中非期

10、望的杂散光线，能以多种可能的路径进入干涉场。尤其是在用激光作光源的干涉测量中，由于激光具有极好的空间相干性，使系统中存在的杂散光很容易形成寄生条纹。 解决杂散光的主要技术措施有：光学零件表面正确镀增透膜，适当设置针孔光阑，正确选择分束器。其中尤以第三点为问题的关键。,比较式 可见，在两支光强比n较 小时，杂散光对条纹对比 度的影响远比两支干涉光 的光强不相等的影响要严 重得多。,第一节 光学面形偏差的检测,干涉法,17,4-1 激光干涉测试技术基础,影响干涉条纹对比度的因素 小结： 对于所有类型的干涉仪，干涉条纹图样对比度降低的普遍原因是： 光源的时间相干性； 光源的空间相干性； 相干光束的光

11、强不等； 杂散光的存在； 各光束的偏振状态差异； 振动、空气扰动、干涉仪结构的刚性不足等。,第一节 光学面形偏差的检测,干涉法,18,4-1 激光干涉测试技术基础,共程干涉和非共程干涉 在普通干涉仪中，由于参考光束和测试光束沿着分开的光路行进，故这两束光受机械振动和温度起伏等外界条件的影响是不同的。因此，在干涉测量过程中，必须严格限定测量条件，采取适当的保护措施，否则干涉场上的干涉条纹是不稳定的，因而不能进行精确的测量。这类干涉仪，称为非共程干涉仪。 若参考光路和测试光路经过同一光路，这类干涉仪称为共程干涉仪。其 共程干涉仪大致可分为 共程干涉仪常常借助于部分散射面、双折射晶体、半反射面或衍射

12、实现分束。,特点： 抗环境干扰； 在产生参考光束时，通常不需要尺 寸等于或大于被测光学系统通光口径 的光学标准件； 在视场中心两支光束的光程差一般 为零，因此可以使用白光光源。,使参考光束只通过被检光学系统 的小部分区域，因而不受系统像差 的影响，当此参考光束和经过该光 学系统全孔径的检验光束相干时， 就可直观地获得系统的缺陷信息。 如散射板干涉仪、点衍射干涉仪等。 大多数的共程干涉仪中，参考光 束和测试光束都受像差的影响，干 涉是由一支光束相对于另一支光束 错位产生的。这时，得到的信息不 是直观的，需要作某些计算才能确 定被测波面形状，如各种类型的剪 切干涉仪。,第一节 光学面形偏差的检测,

13、干涉法,19,2)平板干涉,第一节 光学面形偏差的检测,干涉法,20,考虑半波损失,干涉法,第一节 光学面形偏差的检测,i不变h变等厚干涉，i变h不变等倾干涉,21,2、等厚干涉法 1）菲索干涉仪 原理：当i=0时，,干涉法,第一节 光学面形偏差的检测,22,3-1-1裴索平面干涉仪检测面形偏差,第一节 光学面形偏差的检测,第一节 光学面形偏差的检测,菲索平面干涉仪,23,第一节 光学面形偏差的检测,菲索平面干涉仪,24,第一节 光学面形偏差的检测,菲索平面干涉仪,25,影响测试准确度的因素 1）光源大小和空间相干性,激光斐索型平面干涉仪的基本光路和原理,计算例： 若h5mm，546.1nm，

14、则17。 若取f500mm，则d5mm。,2）光源的单色性和时间相干性。,第一节 光学面形偏差的检测,菲索平面干涉仪,26,影响测试准确度的因素 3）杂散光的影响。 平行光在标准参考平板的上表面和被测件的下表面都会反射一部分光而形成非期望的杂散光。由于激光的相干性能非常好，这些杂散光叠加到干涉场上会产生寄生条纹和背景光，影响条纹的对比度。 消除该杂散光的主要措施是： 将标准参考平板做成楔形板，以使标准平板上表面反射回来的光线不能进入干涉场； 同样，将被测件做成楔形板或在它的背面涂抹油脂，也能消除或减小被测件下表面产生的杂散光影响； 整个系统的所有光学面上均应镀增透膜。,第一节 光学面形偏差的检

15、测,菲索平面干涉仪,27,影响测试准确度的因素 4）标准参考平板的影响。 标准参考平板参考面M1在干涉仪中是作为测量基准用的，主要要求是：面形误差小；口径必须大于被测件。 当标准平板口径大于200mm时，其加工和检验都很困难。 为了保证参考平面面形精度： 严格控制加工过程； 材料的线膨胀系数较小、残余应力很小； 安装时使之不产生装夹应力； 在高质量平面（如标准参考平面）的面形测量中，可以考虑用液体的表面作为参考平面。,此时被测平面M2朝下对液体表面。 地球的曲率半径约为6370km，当液面口径为1000mm时，液面中心才高出约0.1光圈，当口径为250mm时，液面才高出约0.005光圈。 主要要求：使液体处于静止状态（对测量环境要求严格控制，还应该选用粘度较大，本身比较均匀和清洁的液体。） 常常用作标准参考平面的液体有液态石蜡、扩散泵油、精密仪表油和水银等。,第一节 光学面形偏差的检测,菲索平面干涉仪,28,测平面面形 光程差变化，h=/2看条纹的弯曲和不规则判断面形误差，减小空气层厚度看条纹移动判断凸凹性质。,第一节 光学面形偏差的检测,菲索平面干涉仪,29,第一节 光学面形偏差的检测,菲索平面干涉仪,30,第一节 光学面形偏差的检测,31,第一节 光学面形偏差的检测,32,