多功能干涉測量實驗裝置

王中林

（武漢軟件工程職業(yè)學院，湖北武漢430205）

多功能干涉測量實驗裝置

王中林

（武漢軟件工程職業(yè)學院，湖北武漢430205）

基于邁克耳孫干涉儀，利用自動圖像處理技術(shù)及零件移動距離光學測量技術(shù)，構(gòu)建多功能干涉測量實驗裝置，該裝置能夠測量光源波長、光學球面半徑、檢測光學面形.

干涉；光源波長；球面半徑；光學面形檢測

1 引 言

干涉是物理光學的重要學習內(nèi)容，傳統(tǒng)的實驗儀器有楊氏雙縫干涉、牛頓環(huán)干涉、邁克耳孫干涉、平面（球面）干涉儀等實驗裝置.楊氏雙縫干涉實驗裝置主要是進行分波面雙光束干涉測量實驗；牛頓環(huán)干涉、邁克耳孫干涉、平面（球面）干涉實驗設(shè)備主要是進行分振幅干涉實驗.以上實驗設(shè)備除平面（球面）干涉設(shè)備外，其他實驗設(shè)備功能單一，實驗以定性為主，難以開展與工程實踐相一致的一定精度的測量實驗.平面（球面）干涉實驗設(shè)備價格昂貴，一般學校很難配備.筆者基于有關(guān)實驗基礎(chǔ)，構(gòu)建基于邁克耳孫干涉儀基礎(chǔ)上的多功能干涉測量實驗裝置，并分析其具備的實驗功能及實驗原理.

2 實驗裝置整體構(gòu)建

2.1 裝置構(gòu)建基礎(chǔ)及有關(guān)思路

將邁克耳孫干涉儀平臺上的1塊平面鏡用大曲率半徑凹面鏡替換，如圖1所示，用激光經(jīng)擴束作為光源能觀察到圓環(huán)狀條紋，用白光光源做干涉實驗，最終能夠觀察到與牛頓環(huán)類似的彩色條紋現(xiàn)象［1］.同時，在進行面陣CCD圖像采集與處理實驗過程中，能利用圖像處理軟件進行測量［2］.

基于以上實驗基礎(chǔ)及有關(guān)光學儀器功能分析，構(gòu)建多功能干涉測量實驗裝置，該實驗裝置除涵蓋傳統(tǒng)邁克耳孫干涉儀實驗功能外，還具備球面半徑測量、光學面形檢測測量實驗功能，且測量采用較先進的自動圖像處理技術(shù)及零件移動距離光學測量技術(shù).

圖1 球面、平面干涉裝置

2.2 實驗裝置整體構(gòu)建框圖

多功能實驗裝置整體構(gòu)建框圖和三維建模如圖2～3所示.裝置采用十字滑臺作為基座，測量光學零件面形時，圖3中激光光源采用He－Ne激光光源，光源模式較好.根據(jù)測量精度要求選擇帶針孔光闌的不同精度準直管.光源和準直管的夾具豎直、水平、旋轉(zhuǎn)可調(diào).測量光學球面半徑時，直接將擴展白光光源裝夾到光源夾具中，將準直管移開.多維調(diào)整支架固定的光學零件樣板及待測樣板可以水平、豎直、豎直面旋轉(zhuǎn)、水平面旋轉(zhuǎn)可調(diào)，圖4為夾具三維圖.光學望遠鏡及與其物像配合的面陣CCD數(shù)字采集目鏡.在光學樣板所在夾具位置，根據(jù)不同位移測量精度要求，與相應的光柵尺配合.

圖2 多功能實驗裝置構(gòu)建框圖

圖3 多功能干涉實驗裝置三維建模

3 實驗裝置功能及原理

3.1 實驗裝置功能

使用該實驗裝置可以進行激光波長測量，等傾、等厚干涉條紋觀察分析，白光干涉現(xiàn)象觀察，光學平面（球面）面形檢測，大曲率半徑光學球面半徑測量實驗.裝置相對傳統(tǒng)邁克耳孫干涉儀而言，具備數(shù)據(jù)測量自動化功能.其中，利用光柵位移測量系統(tǒng)直接進行微小位移測量，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)記錄條紋形態(tài)數(shù)據(jù).

3.2 實驗原理分析

關(guān)于用該裝置進行激光波長測量，等傾、等厚條紋觀察分析，白光干涉觀察實驗原理在有關(guān)文獻已有詳細闡述［3］，在此不再累述.

利用該裝置進行光學平面（球面）面形檢測實驗原理與平面干涉儀和球面干涉儀實驗原理類似.在檢測光學平面零件面形時，在圖4光學樣板夾具中放置平面光學樣板，在待測零件夾具中放置待測平面光學零件，光源采用激光光源平行光，調(diào)整零件支架，利用望遠鏡觀測等厚干涉條紋.如圖5所示，觀察測量條紋彎曲程度判斷面形優(yōu)劣及定量測量缺陷區(qū)域及其偏差.在檢測球面光學零件面形時，用激光平行光做光源，用相同曲率半徑凹球面樣板檢測凸球面零件，反之，用相同曲率半徑凸球面檢測凹球面光學零件.如圖6所示，如果待檢測球面零件半徑與樣板吻合度不高則條紋密集，數(shù)量多，呈現(xiàn)高光圈；吻合度高則條紋稀疏，數(shù)量少，呈現(xiàn)低光圈；如果待測球面表面面形不好，局部凹凸不平，則條紋呈現(xiàn)不規(guī)則環(huán)狀，環(huán)狀與圓環(huán)的偏差度反映了面形優(yōu)劣.

圖4 光學零件夾具圖

圖5 平面面形檢測實驗原理

在裝置上測量大曲率球面半徑原理如下：對于曲率半徑為R的球面，如圖7所示，分別測出2次相交圓半徑r1，r2和矢高H1與H2之差，就有

設(shè)H1－H2＝D，聯(lián)立（1）和（2）式求解可得

利用白光干涉零級暗紋定位，可以測出2次平面與球面相交圓的半徑及球面的矢高H1與H2之差D的值［4］.所用光源為白光擴展光源.如圖1所示，在裝置待測零件夾具上安裝被測球面M2，另一臂為可動平板M1，可動平板中的其中一面為光學平面.圖中做出了參考平板關(guān)于分光板P的分光面所成的鏡像M1′及M2′，可動平板光學平面與分光板的分光面成45°.當將可動平板光學平面移動到其像位于A和B位置時分別測出此時的暗圓環(huán)條紋半徑r1和r2，再根據(jù)（3）式可計算出光學球面曲率半徑R.通過疊柵尺可以測量出可動平板從A移動到B的距離D［5］.

圖6 圓環(huán)條紋形狀（高光圈）

圖7 測量原理圖

3.3 實驗精度分析

多功能干涉測量實驗裝置精度主要取決于光柵位置測量精度和數(shù)字CCD測量裝置對條紋的分析精度.其中，光柵位置測量精度高低的主要因素是每毫米內(nèi)光柵的條紋數(shù)，條紋數(shù)越多，則精度越高.高分辯率的光柵尺一般造價較貴，且制造困難.引入細分技術(shù)可在不增加光柵刻線數(shù)的情況下，提高光敏元件的分辨能力.如采用四倍頻細分電路，能在1個柵距內(nèi)，等間隔地分出4個計數(shù)脈沖，使得計數(shù)脈沖的頻率提高4倍.例如采用柵距為0.01mm的光柵尺，細分后光敏元件能分辨0.002 5mm的位移，位移精度提高到了μm級.數(shù)字CCD測量裝置精度主要取決于其分辨率及圖像數(shù)字處理方法，一般精度可以達到μm級［6］.以測量光學零件曲率半徑為例，測量誤差取決于球面鏡從M1到M2經(jīng)過的位移D和黑色圓環(huán)半徑r1與r2.根據(jù)測量標準誤差傳遞原理，測量標準誤差可表示為

其中：ΔD，Δr1，Δr2分別表示D，r1，r2的測量誤差.如前所述，光柵位置測量和數(shù)字CCD測量精度都達到μm級情況下，最后測量標準誤差在0.5mm左右［7］.

4 結(jié)束語

光學面形檢測、半徑測量是光學零件加工過程中的必要環(huán)節(jié)，也是光學檢測工作需要掌握的一項基本技能.利用多功能干涉測量實驗裝置可以豐富物理光學干涉實驗內(nèi)容，提高學生光學儀器裝調(diào)技能，加深相關(guān)專業(yè)學生對干涉原理理解.同時在一定精度范圍內(nèi)，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的光學零件樣板手工檢測方法開展光學零件的非接觸檢測.裝置在一定實驗基礎(chǔ)上的構(gòu)建創(chuàng)新，需要進一步開展三維建模及有關(guān)光學實驗，有待進一步研究優(yōu)化.

［1］ 王中林，鄭丹，孫冬麗.基于白光等厚干涉的光學球面曲率半徑測量研究［J］.應用光學，2007，28（6）：707－711.

［2］ 王慶有.圖像傳感器應用技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003：210－230.

［3］ 史大椿.光學測量與應用光學實驗［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1992：60－62.

［4］ 徐昌杰，潘永強.利用邁克耳孫干涉儀測量光學球面曲率半徑［J］.西安工業(yè)學院學報，2002，22（1）：31－34.

［5］ 譚宇.透鏡焦距及球面曲率的測量［J］.應用光學，1996，17（1）：44－48.

［6］ 陳玉林，馬龍，顧斌，等.基于線陣CCD的邁克耳孫干涉儀條紋計數(shù)器［J］.物理實驗，2012，32（2）：21－24.

［7］ 鄧曉鵬，向少華，劉亮員，等.光源的相干性對牛頓環(huán)干涉條紋的影響［J］.物理實驗，2010，30（8）：27－29.

［責任編輯：郭 偉］

A multi－functional interference measurement device

WANG Zhong－lin
（Wuhan Vocational College of Software Engineering，Wuhan 430205，China）

Based on Michelson interferometer，a multifunctional interference device was designed using the image processing techniques and the parts mobile distance optical measurement technology.The device could measure the wavelength of light source and the curvature of optics，and detect the shape of optical surface.The results were relatively precise and the device was highly automated.

interference；light source wavelength；spherical radius；optical surface detection

O436.1

A

1005－4642（2012）10－0032－03

2012－02－29；修改日期：2012－04－09

王中林（1975－），男，湖北潛江人，武漢軟件工程職業(yè)學院副教授，碩士，主要從事應用光學、激光加工方面的研究工作.