2019-09-24

光学面形偏差

面形偏差:光学面实际面形相对理想面形的偏差。

半径的偏差:待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,以光圈数N表示;

像散偏差Δ1N 待检光学表面与参考光学表面在两个相互垂直方向上的光圈数不等所对应的偏差;

局部偏差Δ2N 待测光学表面与参考光学表面在任意方向上产生的干涉条纹的局部不规则程度。

如果要求允许的最大光圈Δ1N和局部光圈数Δ2N相同时,可用ΔN同时表示两者的偏差。

面形偏差的后果

引起波面变形

半径偏差N是光学系统的像面位置、放大倍率等产生微量的变化;

像散差Δ1N和局部偏差Δ2N将直接影响成像质量。

玻璃样板法

是一种接触的干涉检验法,它利用样板的标准面与零件的被检面重合在一起,由干涉条纹的形状和数量及加压时条纹的移动方向判断面形偏差。

玻璃样板法、准确,简便,但接触测量易划伤检验面,口径大的被检面自重大,温度易产生变形,使精度降低。

用样板检验工件时,如果两者在中间接触,当空气间隙缩小时条文中心从中心向边缘移动,则称高光圈,N为正值

当N>1着力点在中部光圈向四扩散

当N<1着力点在边缘条纹移动方向和弯曲方向同

低光圈

如果两者在边缘接触,当空气间隙缩小时,条纹从边缘向中间移动,则称低光圈,N为负值

|N|>1 着力点在中部 光圈向中心收缩。

N<1着力点在边缘条纹移动方向和弯曲方向相反

在光圈数N>1的情况下

在光圈数多的情况下,以有效检验范围内,直径方向上最多条纹数一半来度量。

在光圈数N<1的情况下

在光圈数最多的情况下(N<1)光圈数N以通过直径方向上干涉条纹的弯曲量h,相对于条纹的间距H的比值(N=h/H)来度量。

光圈数的确定

两个互相垂直方向上光圈数N的最大代数差的绝对值来度量。

Δ1N=|Nx-Ny|

局部偏差Δ2N的度量

局部偏差Δ2N,以局部不规则干涉条纹对理想平滑干涉条纹的偏离量(e)与相邻条纹间距(H)的比值(Δ2N=e/H)来度量。

婓索平面干涉仪检测面形偏差

标准平面的口径必须大于被测件的口径。应选用线膨胀系数小和残余应力少的玻璃,安装时防止产生装卡应力。

减少自重变形的影响,如采用六个支撑点且均布在0.7倍直径的环带上,或将标准面加工成低光圈,以补偿其自重变形的影响。

当被检件大口径200mm以上,检测精度要求λ/20时,可选用液面作为基准面。一般选用水银,反射性好、流动性不应太好,也有选用液体石蜡。

防止震动带来的影响。

斐索平面干涉仪要求准直物镜像差引入的测量误差不大于λ/100,这点是容易做到的。

准直物镜的作用是给出一束垂直射向标准面的平行光。

消除杂散光的主要措施:

将标准参考平板做成楔形板,以标准平面上表面反射回来的光线不能进入干涉场;

将被测件做成楔形板或在它背面涂抹油脂,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。

斐索球面干涉仪检测面形偏差

如果严格重合,参考波前与测试波前光程差相同,干涉场亮度应呈现出均匀的一片或只有很少的几条平行的条纹;

有一轴向偏离量,产生从中央到边缘由疏到密的同心圆环状条纹

参考波前矢高hr=r²/2R

测试波前矢高hl=r²/2(R+a)

Δ=hr-hl

有一垂轴偏移量,产生一组近似等距的平行直条纹。

参考波前矢高hr=r²/2R

测试波前矢高hl=(r+e)²/2R

Δ=hr-hl

同时存在轴向和垂轴偏移量,产生圆弧状条纹。

凹球面的边翘中心凸

待检件从左向右移动,干涉条纹先后变直位置是,中间带 边缘带 中心区域

凹球面的边塌中心凹

中心区域 边缘带 中间带。

待检凸球面边翘中心凸的情况。

待检件是凸球面的边翘中心凸,干涉条纹先后变直的位置是 中间带、边缘带、中心区域。

待检件是凸面的边塌中间凹,干涉条纹先后变直是 中心区域,边缘带,中间带

曲率半径的测定

无面形偏差时

斐索球面干涉仪测量曲率半径

1直接测量

标准面曲率半径较短,且球心位于玻璃尺量程之内

R凸

R凹

L0 测长机构量程

R0 标准面曲率半径

待检面为凸面,球心处和顶点处都会调出干涉直条纹,两个位置的读数差值就是被测件的曲率半径

待检面为凹面,球心处和顶点处都会调出干涉直条纹,两个位置的读数差值就是被测件的曲率半径

间接测量

被检件的半径比较大,待检面球心和标准面球心相重合时,干涉条纹变直,可确定球心位置。

以待检面顶点与标准面顶点接触时,由投影屏刻线像恰好不再移动来判定,读得顶点位置读数。

如果以R0表示标准面的曲率半径,则待检凸面曲率半径为:

R凸>L0;R0>R凸

测凸面用标准凹面

R凸=R0-(R0-R凸)

如果以R0表示标准面曲率半径,则待检凹面曲率半径为:

R凹>L0;R凹>R0

测凹面用标准凸面

R凹=R0+(R凹-R0)

曲率半径偏差ΔR与光圈数N的关系

如果测得曲率半径值与要求值不符,则可以根据曲率半径差ΔR值修改光圈

N=K*2/λ[1-2/√4-(D/R)²]ΔR

λ工作波长;D/R 待检面的有效口径比;K波长修正系数(K=632.8/546.1=1.16)

刀口阴影法

刀口阴影法从右向左切割成像光束,人眼仍在原处观察。

在阴影图中,某区域出现均匀阴影,则表示刀口所在的位置是这一区域的交点处。

交点阴影一齐暗

在阴影图中,某区域阴影的移动方向与刀口的移动方向相同,则表示刀口在这一区域的光线交点之前。

交前刀影同方向

在阴影中,某区域阴影的移动方向与刀口的移动方向相反,则表示刀口在这一区域的光线交点之后。

交后刀影对面来

带区误差

左明右暗是高地,右明左暗是低谷。

优点

设备简单、通用性强,可随意搬动等优点;

精度高,可发现几十分之一波长的波差(在一般测量条件下)

非接触式,检验速度快,不受检验口径的限制特别适用于大型镜面抛修工艺过程的检验;

可拍摄阴影图,可保存,增强反差,提高判别精度;

加辅助镜和系统可检测多种面形的镜面,测半径、定焦、测像差,也可用于玻璃材料的不均匀性和条纹检验等;

缺点

此方法只能给出波面分布,定性描述,不易定量。

易受到气流的影响。

由刀口S发出光束经待检面反射后汇聚于刃口S’处。测出S’至待检面边缘距离L,则曲率半径R近似为

R=L+Dδ/4L

D待测面的有效口径

δ刃口至光源S的间距

刀口阴影法的检测灵敏度与光源大小及光源的形状的选择有关。光源尺寸越小检测灵敏度越高,但当光源过小的时候会有衍射效应增强,阴影图亮度的降低反而会使检测灵敏度降低,故光源尺寸的选择要合适。

检测平面镜的面形偏差需要一个标准的凹球面镜来组成一个汇聚光路。

X0是待检平面的像散值

D0待检平面的同光口径

h=D0²X0/16L²sinωtanω

子午焦线靠近待检面一边,则待检面是微凹的平面。反之,弧矢焦线靠近待检面一边,则待检面是微凸的平面。

无相差点:在二次曲面的对称轴上均有一对特殊点。若光源位于其中一点,自该点发出的光线经过曲面反射后,一定汇聚于另一点,这一对特殊点称为无相差点。

样板法

优点

简便易行

缺点

易损伤表面光洁度

需要稳定温度的时间

需要标准样板

表面要求擦得很干净

平面干涉仪法

优点

不损害表面光洁度

精度较高

缺点

需要标准平晶

仪器贵重

对环境要求较高

阴影法

优点

检验凹球面时不需要标准样板

检验大口径零件比较方便

灵敏度高

检验迅速

缺点

检验凸球面和平面,需要一块标准凹准面;抛物面和双曲面需要标准辅助镜

易受气流影响

不宜定量测量

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