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光圈的识别


一 光学样板检验原理

当光学元件的被检表面和样板的工作表面(参考表面)相接触时,由于两者的面形不一致,产生一定的空气隙,当波长为λ的光射到空气隙上,便形成等厚干涉条纹,如图1-1所示。

从等厚干涉知道,相邻两亮条纹之间空气隙厚度差近似为λ/2,即通常所说的一个干涉条纹(光圈)相当于空气隙厚度变化为λ/2,因此,光圈数为N部位所对应的空气隙厚度变化为N·λ/2。所以,光学零件的面形精度可以通过垂直位置观察到的干涉条纹的数量、形状、颜色及其变化来确定。

(一)低光圈 表示样板与被检表面在边缘部位接触。对于凸球面,则表示曲率半径大于样板的;对于凹球面,则表示曲率半径小于样板的;对于平面,则表示平面变为凹球面。

高光圈 表示样板与被检表面在中间部位接触,对于凸球面、则表示曲率半径小于样板的;对于凹球面,则表示曲率半径大于样板的;对于平面,则表示平面变成凸球面。

(二)被检光学表面在相互垂直方向上的曲率半径相对参考光学表面曲率半径的偏差不相等,称为象散偏差,以△1N表示。这种偏差在相互垂直方向上的干涉条纹数量不等。

(三)被检光学表面的局部区域相对于参考光学表面的偏差,称为局部偏差,以△2N表示。这种偏差在任一方向上产生局部不规则的干涉条纹。

光学零件被检表面的局部偏差有以下几种基本类型:

中心低 被检光学表面的中心部位相对于平滑干涉条纹凹陷。

中心高 被检光学表面的中心部位相对于平滑干涉条纹凸起。

塌边 被检光学表面的边缘部位相对于平滑干涉条纹塌陷。

翘边 被检光学表面的边缘部位相对于平滑干涉条纹翘起。

此外,还有由几种上述的基本偏差综合而成的局部偏差。

二 光圈的识别

(一)光圈高、低的判断

1、周边加压法

低光圈 当空气隙减小时,条纹从边缘向中心移动,如图1-2(a)所示。

高光圈 当空气隙减小时,条纹从中心向边缘移动,如图1-2(b)所示。

2、色序法

 当光圈数N>1,白光照明。

低光圈从中心到边缘光圈的颜色序列为“蓝、红、黄”。

高光圈从中心到边缘光圈的颜色序列为“黄、红、蓝”。

3、一侧加压法

当光圈数N<1。

低光圈条纹弯曲的凹向背着加压点A,如图1-3(a)所示。

高光圈条纹弯曲的凹向背着加压点A,如图1-3(b)所示。

(二)象散偏差的判断

在样板的相互垂直方向上作周边加压或一侧加压,当N>1时光圈呈椭圆形;当N<1两垂直方向上的条纹弯曲度不同,则有象散偏差。

(三)局部偏差的判断

当一侧加压时:

中心低条纹中心部位的弯曲凹向背着加点A,如图1-4所示。

中心高  条纹中心部位的弯曲凹向背着加点A,如图1-5所示。

塌边  条纹边缘部位塌向加压点A,如图1-6所示。

翘边  条纹边缘部位翘离加压点A,如图1-7所示。

三 光圈的度量

(一)光圈数的计算

1、当光圈数N≥1时

以有效检验范围内直径方向最多条纹数的一半来度量。

 图1-8表示,在被检光学表面和参考光学表面仅有曲率半径偏差情况下,光圈数度量与表示偏差大小和方向的误差曲线。其中,虚线代表参考光学表面,曲线代表球面(或平面)相对于参考光学表面的偏差大小和方向,平行线间距代表λ/2。

 当白光照明时,一般以红色条纹(因其颜色鲜明、波段宽、便于观察)出现的数目来计算光圈数(实际上按暗条纹计算光圈数时,由于半波损失多算了半道圈)。

2、当光圈数N<1时

(1)单色光照明时,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比值来度量,如图1-9所示。光圈数N为 N=h/H 。 计算时应以两相邻条纹的中心距离作为条纹的间距,图中的条纹间距为ae,条纹的弯曲点b、c应通过Y-Y(或X-X)轴,条纹弯曲量为ad,则N= h/H=ad/ae=0.6 。

(二) 象散偏差的度量

象散偏差光圈数△1N是以两个相互垂直方向上光圈数N的最大代数差的绝对值来度量。

1、椭圆形象散光圈数

图1-11表明,被检表面在X-X和Y-Y方向上的光圈数Nx和Ny不等,偏差方向相同。Nx= -2,Ny= -3,椭圆形象散光圈数△1N= ︳Nx — Ny ︳=1,此时,被检表面的光圈数N= -3。

2.马鞍形象散光圈数

图1-12表明,被检表面在X-X和Y-Y方向上的光圈数Nx和Ny不等,偏差方向相反。Nx= -1,Ny= +2,马鞍形象散光圈数△1N= ︳Nx — Ny ︳=3,被检表面的光圈数N= +2。

3. 柱形象散光圈数

图1-13表明,被检表面在X-X和Y-Y方向上的光圈数Nx和Ny不等,其中一方向上的光圈数为零。Nx= -1,Ny= 0,柱形象散光圈数△1N= ︳Nx — Ny ︳=1,被检表面的光圈数N= -1。

4. N<1的象散光圈

当光圈数N<1,象散光圈可根据两个相互垂直方向上干涉条纹的弯曲度来确定Nx和Ny。图1-14中,Nx= -0.2,Ny= -0.4,象散光圈数△1N= ︳Nx — Ny ︳=0.2,被检表面的光圈数N= -0.4。

(三)局部偏差的度量

局部偏差光圈数△2N是以局部不规则干涉条纹对理想平滑干涉条纹的偏离量e与两相邻条纹间距H的比值来度量。

1、中心局部偏差  它包括低光圈(高光圈)的中心低和中心高。

图1-15(a)表明低光圈中心低△2N=e/H=1/6.5=0.15

图1-15(b)表明低光圈中心高难度  △2N=e/H=2.5/9=0.28

2、边缘局部偏差 它包括低光圈(高光圈)的翘边和塌边。

图1-16(a)表明低光圈翘边△2N=e/H=1.5/7.5=0.2

图1-16(b)表明低光圈翘边△2N=e/H=2.5/7.5=0.3

3、中心及边缘均有局部偏差 它是几种偏差的综合。

图1-17(a)表明低光圈中心高、塌边。中心局部光圈数△2N′= e1/H=2.5/8.5=0.3,边缘局部光圈数       △2N″= e2/H=3.5/8.5=0.4,被检表面的局部偏差取最大值△2N=0.4。

图1-17(b)表明低光圈中心低、塌边。中心局部光圈数△2N′= e1/H=1.2/8.5=0.14,边缘局部光圈数      △2N″= e2/H=3/8.5=0.35,被检表面的局部偏差取最大值△2N=0.35。

当被检表面出现弓形光圈而对N的取值方向有争议时,则应根据△2N为最小的原则来取值N和△2N。

在图1-18中,如以边缘部分的干涉条纹为基准引出延伸线,作为平滑干涉条纹考虑,则其中心对平滑干涉条纹的偏离量为e1,△2N′= e1/H1=3/7.5=0.4。反之,如以中心部分的干涉条纹为基准引出延伸线,作为平滑干涉条纹考虑,则其边缘对平滑干涉条纹的偏离量为e2,△2N″= e2/H2=4.5/7.5=0.6。比较两者,得△2N″>△2N′所以该被检表面的光圈数N=h/H1=4/7.5=0.53, △2N=0.4。 

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