激光平面干涉仪说明书

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1、1一、 用途激光平面干涉仪是一种使用方便的光学精密计量仪器，主要用于精密测量光学平面度。仪器配有激光光源（波长为 632.8nm） 。对于干涉条纹可目视、测量读数。工作时对防震要求一般。该仪器可应用与光学车间、实验室、计量室。如需配购相关的必要附件，可精密测量光学平面的微小楔角、光学材料折射率 n 的均匀性，光学镀膜面或金属块规表面的平面度，90 度棱镜的直角误差及角锥棱镜单角和综合误差。二、 主要数据1. 第一标准平面（A 面）,不镀膜。工作直径：D 1=146mm不平度小于 0.02um2.第二标准平面（B 面） ，不镀膜。工作直径：D2=140mm不平度小于 0.03um3.准直系统：孔

2、径 F/2.8， 工作直径：D 0=146mm焦距：f=400mm4.测微目镜：焦距 f=16.7mm，放大倍数 =15X ，视场角 2W=40，成像物镜：1.D=4.5 II.D=7 III.D=10F=15 f=23 f=375.工作波长：632.8nm6.干涉室尺寸：深 260X 宽 300X190mm。7.光源规格：激光 ZN18（He-Ne） 。8.仪器的外形尺寸：长 X 宽 X 高 350X400X720mm9.仪器重量：100 公斤2图一 第一标准平面（ A 面）精度照片图二 第二标准平面（B 面）3三、 工作原理本仪器工作基于双光束等厚干涉原理。根据近代光学的研究结果，光兼有波

3、动与颗粒两重特性。光的干涉现象是光的波动性的特性。因此，介绍本节内容时，仅在光的波动性的范围内讨论，例如，把“光”称为“光波” ， “平行光”称为“平面光” 。波长为 的单色光经过仪器有关的光学系统后成为平面波 M。 （如图三所示），经仪器的标准平面 P1 和被检系统 P2 反射为平面波 M1 和 M2。M1、M2 即为两相干光波，重叠后即产生等厚干涉条纹。等厚干涉原理能够产生干涉的光束，叫相干光。相干光必须满足三个条件：1.震动方向必须一致，2.频率相等：3.光束必须相遇，且在相遇点处的相位差在整个时间内为一常量。如图三（3）基准面 P1，被测面为 P2.当平行光束是 S-S 射到基准4面

4、P1 上时，其中一部分反射为 S-S，另一部分折射为 B-F，进入基准面和被测面之间的空气层内，经被测零件的上表面 P1 反射之后，沿方向 S-S射出。两束光在 C 点处相遇，其光程差 为：=(BF+FC)n-EC.n （1）式中 n和 n分别表示玻璃和空气的折射率。由图三（3）可得：BF=FC= (2)式中 h空气层的厚度；i 和 i分别为入射角和折射角由BEC 和BCF 可行EC=BCsin i （3） BC=2h tg i （4）将公式(4) 代入（ 3）后，再和（2）一起代入（1）得：因为 n sin i=nsin i,所以空气的折射率 n=1，故=2 h cos i由于光线在被测零的

5、表面上反射，其位相将发生 /2 的突变，故光程差 应该用下式来表示：（5）为了讨论方便起见，将公式（5）写成如下的形式：当式中的 m 为整数时，m 即为干涉级数。由于这时相干光的初始相位差=0，所以 m 即为干涉条纹的条纹数，亦即通常所说的光圈数。由公式（5）可以看出：光程差 的大小仅仅与空气层的厚度和光线的折射角有关。相干光束以相同的倾角射入空气层，由于空气厚度的变化，所呈现的5亮暗相间的干涉条纹是对空气层上等厚度点的轨迹，这类干涉就称为等厚干涉。见图三（2）由于仪器的标准平面 P1 具有很高的精度，因此可以认为：经P1 反射后的波面 M1 与 M0 完全相同。假使被检系统 P2 没有误差，

6、因此也可以认为：经 P2 反射后的波面 M2 与M0 完全相同，即与 M1 完全相同。如果 M1、M2 之间存在楔角 ,则两波面叠加相干时，得到平行的、直线的、等间距的一系列干涉条纹，相邻两条纹的间隔即条纹宽度 B 由下决定：B= ( 以弧线计 )（6）式 B= ( 以秒计算)(7)当 B =632.8nm 时（He-Ne 激光输出波长）时，B=130.528/ （mm ） (8)由（6） （7） （8）式可知：愈大，B 愈小，条纹愈密，窄（图四 a）愈小，B 愈大，条纹愈疏，宽（图四 b）=0，B= ，干涉场为一片颜色（图四 c）如果被检系统 P2 存在缺陷，则反射波面 M2 将产生对 M1

7、 的某些偏离，此时将产生与下述不同的干涉条纹。6图四如 M2 是一半径很大的球面波，则可能得到圆弧的干涉条纹(图五 a)。如 M2是一半径不是很大的球面波，则可能得到一系列圆环形的干涉条纹（图五b）如 M2 是柱面的波形，则可能那个得到一系列直线的平行的，但间距不等的干涉条纹也可能得到弯曲的，但不是圆弧状的干涉条纹（图六 a）如果 M2 是一个不规则的波面，则得到相应不规则的干涉条纹（图六 a）因此，我们得到的干涉图正确地表现力经被检系统反射形成的波面的全部误差信息，对这些条纹进行正确地解释或计算，可以测得被检系统的误差。对于被检平面，常用 N、N 来表示其平面性精度。图五7图六四、 仪器结构

8、如图七所示，以检测光学平面为例。a) 光学结构：由组合星点 G1 发出的单色光经棱镜 G2 后，投向主镜表面折射为平行光后，射向主镜下表面（A 面）及被测光学平面，A 面和被测光学平面反射回来的光重叠相干后，经棱镜 G2 反射，进入接收件。星点可由激光管 G5、棱镜 G6、光源强度调节发散镜 G7 组成。接收件可以由人眼 G10.成象物镜 G15 和测微目镜 G11，或由分光棱镜G12，可动小孔 G13 和摄像头 G14 组成的摄像系统。b) 仪器结构：箱体 1 联系各部件、导轨 2 借助螺钉 3 固定光源，压圈 4 固定接收器件。门 可卸下去不用。底面 7 下有微调机构，借助与手轮 8 调节

9、干涉条纹，凹型台有平行槽，借助于插入工作台，工作台上有调节手轮，可粗调干涉条纹。8图七 仪器结构五、使用说明5-1 激光光源的使用：本仪器附有 =632.8nm 的 He-Ne 激光光源（图八） 。本仪器选用 ZN18 激光管（图九） ，安装激光管时，取下激光光源后罩，松开两个附有弹簧片的黄铜螺丝，把激光管放入凹圆弧有机玻璃座，须注意：1. 激光管的输出端须安放在光源部件的上方，即有两调节螺丝的一端，市场上供应的激光管有正极性输出与负极型输出，究竟何极为输出端参见所购激光管的说明书。2. 激光管座用带有弹簧片的黄铜螺丝压紧后，松紧适且，切忌压得太紧。3. 插入相应电极插座。其后把激光电源安放在

10、三角座 2 上，用螺钉 3 固定，然后接通电源，点亮激光管。4. 旋动调节螺丝 25、26 使激光束射在发散镜上。此时在观察孔观察整个视场，调节至整个视场内均匀地充满红光为止。5. 如发现视场内有杂乱的光环，那是发散镜外表上沾有灰尘衍射而成的缘9故，只需用干净的干纺绸擦拭发散镜或用气球吹发射镜表面即可。6. 本仪器激光光源附有亮度调节圈 22，转动 22 即可调到你认为合适的亮度。7. 激光管长期不用，同样会终止使用寿命，故备管不宜过多。5-2 目视头的使用、测微头的使用：1.目视头 40 借助与螺钉 41 固定在圈 3 上，即为工作状态，此时，仪器标准面 A 的反射象点位于目视接目框的中央。

11、2.测微头 42，借助螺钉 43，固定目视头的接目框上，本仪器附有三种规格的测微器（图十） ，其成像物镜分别为：F15、 F23、F37 三种，测微器目镜均匀为 15X测微目镜，三种规格的测微器使用范围见下表一。3.借助与测微目镜的鼓轮与可移动分划板，可测得干涉条纹的宽度、弯曲度，根据国家“光圈识别”标准，可测得光圈数 N、N 等数据。表一规格 焦距（mm） 放大倍率（） 适用被测系统口径F15 15 0.56 90- 150F23 23 0.86 50- 105F37 37 1.39 60 以下10图 图九 激光管图十 目视、测微目镜与成像物镜5-3 门的使用本仪器工作室装有保温与防气流使用

12、的门。门的拆卸是十分方便的，在车间工作的往往不要门，此时可拆去不用（图十二） 。门的开启借助于白色长柄 10，向下按后向外拉，门即开启。把门推上，即弹簧舌头自动把门卡紧。11图十二 门开启状态5-4 底座部分的使用底座 6 内具有凹形的承物框 7，框侧为两相对成排的凹形槽，借助于插入各种工作台。凹形承物框 7 下有调节机构，借助于手轮 8，可方便地调节承物框的倾斜，从而可根据测量目的完成所需的调节。须注意：在一般情况下，尽量使承物框的底面与底座门框下边平行。因底座上的调节机构适合精密微调，工作台附有必要的粗调机构，一般情况下，在门关闭后，使用调节手轮 8。5-5 工作台的使用工作台(图十三)

13、可插入不同高度的凹槽内。图十三 工作台 图十四 激光电源箱12工作台具有两个调节螺钉，借助与此可调节干涉条纹，并附有四叉的升降调节器，叉球自右向左侧工作台下降。工作台的微量升降在某些测量中是必需的。工作台上方具有直径为 170mm 的载物台，用与承放被测件。六、 测量光学平面的调节方法6-1 测量光学件的平面度如果被测件是一平行板，建议在非被检面涂上凡士林油，防止该面的反射光不怕干扰，例如产生絮乱背景条纹，影响条纹的对比度。把被检件 K 放在工作台 84 上（图十五 a） ，被检面朝上，选择合适高度的凹槽把工作台插入。人眼距离观察孔 200mm 左右观察，可见到两个分开的星点，中央的一点为仪器

14、标准面 A 形成的，另一点是被检面形成的，调节工作台上的两个手轮，两个星点逐渐重合，此时眼睛顺着星点靠近观察孔，可见到细而密的干涉条纹，继续调节手轮，干涉条纹由密到疏，直到你认为需要的条纹数量与方向（图十五 b）如果被检件须恒温，则可关上门，在外面借助手轮 8 调节干涉条纹。干涉条纹的解释与定量须照国家标准“光圈标准” 。6-2 光学平板微小楔角的直接干涉法（图十六）光学平板的两个面反射后自身引成干涉条纹，如果光学平板两个面的夹角为 ，平板材料折射率为 n，则两个相干波面的夹角 为=2.n. (9)结合（8）式，可得B=65.264/n. （10）当 n=1.5 时B=43.5/ (11)或

15、=43.5/B （12）下表三列出光学平板（n=1.5）楔角 对应的条纹宽度值：13b图十五 测量光学平面平面度14图十六 光学平板微小楔角的直接干涉法15表三（秒） （mm） （秒） （mm） （秒） （mm）0.4 108.75 2.5 17.4 9 4.80.5 87 3 14.5 10 4.40.6 72.5 4 10.9 11 3.90.8 54.4 5 8.7 12 3.61 43.5 6 7.3 15 2.91.5 29 7 6.2 20 2.22 21.8 8 5.4 25 1.7图例中测得 B=29 故 =1.5 秒七、 使用中的几点说明在干涉测量中光学玻璃受热变形是产生光学表面光圈变化的一个重要因素，因此在使用中对温度的稳定性要求是很高的，温度不稳定直接影响测量精度的可靠性。7-1 温度1.恒温时间被检工件装在放入仪器的干涉室前，由于工件是以外界进入工作室的，要有一个恒温时间，我们一般放